本發(fā)明涉及車輛集成設(shè)計(jì)及控制，具體地說，涉及一種面向全矢量動(dòng)力底盤的獨(dú)立線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及控制方法。

背景技術(shù)：

1、隨著近年來汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，汽車幾乎成為了每個(gè)家庭的必需品，但是隨著汽車保有量的急劇增加，在許多城市已經(jīng)出現(xiàn)了交通擁堵、停車?yán)щy等一系列問題，而導(dǎo)致這些問題的一個(gè)關(guān)鍵的原因就是目前在市場(chǎng)中占據(jù)主導(dǎo)的兩輪轉(zhuǎn)向車輛的機(jī)動(dòng)性與行駛安全性有待提高，因此，能適應(yīng)多樣化的用車場(chǎng)景(例如原地轉(zhuǎn)向、橫行變道、四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向)的四輪轉(zhuǎn)向汽車應(yīng)運(yùn)而生。但目前市場(chǎng)上的量產(chǎn)車型中僅部分高端車型搭載了后輪轉(zhuǎn)向，該后輪轉(zhuǎn)向的極限轉(zhuǎn)角一般為5～8°，且由于該后輪轉(zhuǎn)向與前輪轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)一樣，一般采用傳統(tǒng)的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，還有一部分采用蝸桿肖式、蝸桿滾輪式、以及循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，這種轉(zhuǎn)向器依舊保留了轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)，左右輪之間依然存在機(jī)械約束，從而不能實(shí)現(xiàn)左右輪的獨(dú)立轉(zhuǎn)向控制，僅在一定程度上提高了汽車的機(jī)動(dòng)性，但仍不能實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向、橫向變道、四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向等功能，依舊無法滿足用戶對(duì)車輛高機(jī)動(dòng)性的要求同時(shí)傳統(tǒng)非機(jī)械解耦的汽車在轉(zhuǎn)向時(shí)容易出現(xiàn)轉(zhuǎn)向不足和轉(zhuǎn)向過度的問題，這是由于汽車的轉(zhuǎn)向梯形一旦確定，那么汽車各個(gè)輪胎的轉(zhuǎn)角關(guān)系也隨之確定。

2、全矢量動(dòng)力底盤汽車的出現(xiàn)無疑解決了這一難題，全矢量動(dòng)力底盤汽車由于驅(qū)動(dòng)形式為分布式驅(qū)動(dòng)即電驅(qū)動(dòng)，因此也是新能源汽車的重要類型之一。全矢量動(dòng)力底盤汽車是汽車底盤的一次革新。全矢量動(dòng)力底盤在每個(gè)車輪處都配備了角模塊，角模塊集成懸架與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為一體，取消了傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向梯形等機(jī)械部件，取消了左右輪之間的機(jī)械連接，從而實(shí)現(xiàn)了左右輪的物理解耦，這使得車輪的轉(zhuǎn)角完全由轉(zhuǎn)向電機(jī)控制，并且輪與輪的轉(zhuǎn)角并無硬性關(guān)系約束，這在極大程度上解決了轉(zhuǎn)向不足與轉(zhuǎn)向過度的根本問題。但沒有了傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向梯形等機(jī)械構(gòu)件的約束，雖然在一定程度上提高了汽車的機(jī)動(dòng)性，但是其操縱穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)安全性也面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此設(shè)計(jì)一個(gè)結(jié)構(gòu)安全性高的全矢量動(dòng)力底盤轉(zhuǎn)向角模塊和契合全矢量動(dòng)力底盤且普遍適用的全輪獨(dú)立線控轉(zhuǎn)向控制方法尤為重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的內(nèi)容是提供一種面向全矢量動(dòng)力底盤的獨(dú)立線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及控制方法，其能夠克服現(xiàn)有技術(shù)的某種或某些缺陷。

2、一種面向全矢量動(dòng)力底盤的獨(dú)立線控轉(zhuǎn)向控制方法，包括：

3、根據(jù)前方道路信息和方向盤轉(zhuǎn)角判定駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖，再將轉(zhuǎn)向意圖與對(duì)應(yīng)的駕駛員map曲線匹配并結(jié)合行駛參數(shù)獲取期望的橫向速度以及期望的橫擺角速度，將轉(zhuǎn)向意圖所需的需求向心力和當(dāng)前駕駛情況下車輛可提供的向心力比較選擇對(duì)應(yīng)的阿克曼轉(zhuǎn)向map曲線獲取最優(yōu)阿克曼四輪轉(zhuǎn)角，最后控制車輪依據(jù)最優(yōu)阿克曼四輪轉(zhuǎn)角、期望的橫向速度以及期望的橫擺角速度進(jìn)行轉(zhuǎn)向。

4、進(jìn)一步地，所述判定駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖包括：根據(jù)前方道路信息判斷前方道路情況，若前方道路為彎道則判定駕駛員轉(zhuǎn)向意圖為轉(zhuǎn)彎，若前方道路為直線路段則結(jié)合方向盤轉(zhuǎn)角及車輛橫擺角進(jìn)一步判定駕駛員轉(zhuǎn)向意圖為調(diào)姿、換道和原地轉(zhuǎn)向中的任一種。

5、所述駕駛員map曲線經(jīng)過深度學(xué)習(xí)獲得，包括駕駛員轉(zhuǎn)彎map曲線、駕駛員調(diào)姿map曲線、駕駛員換道m(xù)ap曲線、駕駛員原地轉(zhuǎn)向map曲線；

6、判定駕駛員意圖為轉(zhuǎn)彎，表現(xiàn)在車輛運(yùn)動(dòng)方面為：期望獲得相較其他轉(zhuǎn)向意圖更大的橫擺角速度以及更小的橫向速度，此時(shí)車輛轉(zhuǎn)向模式處于前后輪異相位模式，以便于實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎動(dòng)作、跟蹤彎道道路；將行駛參數(shù)與駕駛員轉(zhuǎn)彎map曲線結(jié)合獲取轉(zhuǎn)彎模式下期望的橫向速度以及期望的橫擺角速度；所述行駛參數(shù)包括車輛質(zhì)心處縱向速度、路面附著系數(shù)。

7、判定駕駛員意圖為調(diào)姿，表現(xiàn)在車輛運(yùn)動(dòng)方面為：期望小幅度調(diào)整橫擺角速度以及橫向速度；將行駛參數(shù)與駕駛員調(diào)姿map曲線結(jié)合獲取調(diào)姿模式下期望的橫向速度以及期望的橫擺角速度；

8、判定駕駛員意圖為換道，表現(xiàn)在車輛運(yùn)動(dòng)方面為：期望獲得相較其他轉(zhuǎn)向意圖更小的橫擺角速度和更大的橫向速度，此時(shí)車輛轉(zhuǎn)向模式處于前后輪同相位模式，以便于實(shí)現(xiàn)換道動(dòng)作；將行駛參數(shù)駕駛員調(diào)姿map曲線結(jié)合獲取調(diào)姿模式下期望的橫向速度以及期望的橫擺角速度；

9、判定駕駛員意圖為原地轉(zhuǎn)向，表現(xiàn)在車輛運(yùn)動(dòng)方面為車輪需要轉(zhuǎn)到規(guī)定的原地轉(zhuǎn)向角度；將行駛參數(shù)駕駛員原地轉(zhuǎn)向map曲線結(jié)合獲取原地轉(zhuǎn)向模式下期望的橫向速度以及期望的橫擺角速度；

10、進(jìn)一步地，所述根據(jù)方向盤轉(zhuǎn)角及車輛橫擺角進(jìn)一步判定包括：當(dāng)車輛偏航角大于臨界航線偏差且有方向盤轉(zhuǎn)角時(shí)，判定駕駛員轉(zhuǎn)向意圖為調(diào)姿；當(dāng)車輛偏航角小于臨界航線偏差且有方向盤轉(zhuǎn)角時(shí)，判定駕駛員轉(zhuǎn)向意圖為換道；當(dāng)車速趨向于0或等于0且方向盤轉(zhuǎn)角為極限轉(zhuǎn)角時(shí)，判定駕駛員轉(zhuǎn)向意圖為原地轉(zhuǎn)向，其中，偏航角＝車道線角度-車輛橫擺角。

11、進(jìn)一步地，獲取車輛四輪的實(shí)際車輪轉(zhuǎn)角結(jié)合相應(yīng)輪胎側(cè)偏剛度得到實(shí)際輪胎側(cè)向力，再結(jié)合實(shí)際輪胎側(cè)向力、路面附著系數(shù)、當(dāng)前的橫擺角速度和橫向速度以計(jì)算可提供的向心力。

12、進(jìn)一步地，若需求向心力大于可提供的向心力，則需要增加可提供的向心力，基于不足阿克曼轉(zhuǎn)向map曲線確定最優(yōu)阿克曼四輪轉(zhuǎn)角；若需求向心力等于可提供的向心力，則可提供的向心力保持不變，基于完全阿克曼轉(zhuǎn)向map曲線確定最優(yōu)阿克曼四輪轉(zhuǎn)角；若需求向心力小于可提供的向心力，則需要減小可提供的向心力，基于過度阿克曼轉(zhuǎn)向map曲線確定最優(yōu)阿克曼四輪轉(zhuǎn)角。

13、進(jìn)一步地，所述控制車輛轉(zhuǎn)向模塊的過程中還涉及期望的橫向速度以及期望的橫擺角速度對(duì)應(yīng)的微分值，所述微分值根據(jù)跟蹤微分器得到，所述跟蹤微分器的帶寬頻率ωn計(jì)算過程如下：

14、

15、式中，f表示輪胎附著力，fmax表示輪胎附著力極限值，k為控制器增益，ωn0為在車速vx下的基礎(chǔ)帶寬頻率，ωnmax為最大帶寬頻率。

16、具體的，跟蹤微分器采用典型二階系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其數(shù)學(xué)表達(dá)形式為：

17、

18、計(jì)算出帶寬頻率ωn后，跟蹤微分器閉環(huán)傳遞函數(shù)φ(s)變?yōu)椋?/p>

19、

20、y表示經(jīng)拉氏變換后的系統(tǒng)響應(yīng)，u表示經(jīng)拉氏變換后的系統(tǒng)激勵(lì)，s為復(fù)頻率；

21、經(jīng)過拉氏反變換得：

22、

23、其中，為系統(tǒng)響應(yīng)y的二階微分，為系統(tǒng)響應(yīng)y的一階微分，令系統(tǒng)響應(yīng)y＝x1，x1為系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)，u＝v，v為目標(biāo)狀態(tài)，即：

24、

25、vyd表示期望的橫向速度，ωd表示期望的橫擺角速度；

26、用狀態(tài)方程的方式表達(dá)為：

27、

28、系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)x1為過渡曲線，x2為過渡曲線的微分；

29、將上述跟蹤微分器形式代入車輛動(dòng)力學(xué)控制得到：

30、車輛橫向：

31、

32、車輛橫擺方向：

33、

34、由此求得期望橫擺角速度和期望橫向速度的微分值，ω表示橫擺角速度。

35、一種面向全矢量動(dòng)力底盤的獨(dú)立線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，包括：輸入層、控制層以及執(zhí)行層，所述輸入層包括駕駛員控制輸入、路徑跟蹤輸入、傳感器觀測(cè)輸入；所述控制層根據(jù)輸入層的輸入實(shí)施一種面向全矢量動(dòng)力底盤的獨(dú)立線控轉(zhuǎn)向控制方法確定相應(yīng)控制信息并下發(fā)到執(zhí)行層，所述執(zhí)行層根據(jù)控制信息為每個(gè)車輪對(duì)應(yīng)控制器輸出相應(yīng)控制信號(hào)以控制每個(gè)車輪的轉(zhuǎn)向角模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)車輪轉(zhuǎn)向。

36、進(jìn)一步地，所述駕駛員控制輸入包括方向盤轉(zhuǎn)角，所述路徑跟蹤輸入包括前方道路信息、車輛偏航角，所述傳感器觀測(cè)輸入包括橫擺角速度、橫向速度及車速。

37、進(jìn)一步地，所述控制層包括轉(zhuǎn)向意圖確定模塊、速度確定模塊、轉(zhuǎn)角確定模塊以及輸出模塊，

38、所述轉(zhuǎn)向意圖確定模塊用于根據(jù)前方道路信息和方向盤轉(zhuǎn)角判定駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖；

39、所述速度確定模塊用于將轉(zhuǎn)向意圖與對(duì)應(yīng)的駕駛員map曲線匹配并結(jié)合行駛參數(shù)獲取期望的橫向速度以及期望的橫擺角速度；

40、所述轉(zhuǎn)角確定模塊用于將轉(zhuǎn)向意圖所需的需求向心力和當(dāng)前駕駛情況下車輛可提供的向心力比較選擇對(duì)應(yīng)的阿克曼轉(zhuǎn)向map曲線獲取最優(yōu)阿克曼四輪轉(zhuǎn)角；

41、所述輸出模塊用于將最優(yōu)阿克曼四輪轉(zhuǎn)角、期望的橫向速度以及期望的橫擺角速度作為控制信息輸出。

42、進(jìn)一步地，所述轉(zhuǎn)向角模塊不包括轉(zhuǎn)向梯形。

43、本發(fā)明的有益效果如下：

44、1)本發(fā)明的轉(zhuǎn)向角模塊取消了轉(zhuǎn)向梯形等機(jī)械部件的連接，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)上的解耦，具有更高的可控自由度，能夠更好的發(fā)揮控制策略的優(yōu)勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的自動(dòng)駕駛；四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向角中布置了彈簧滾子結(jié)構(gòu)，用來平衡轉(zhuǎn)向時(shí)所產(chǎn)生的橫向力，使得角模塊結(jié)構(gòu)更加合理安全；該角模塊可以使車輪極限轉(zhuǎn)角達(dá)到±90°，可以實(shí)現(xiàn)橫向行駛等特殊形駛模式，同時(shí)極限轉(zhuǎn)角處布置了限位塊以保證轉(zhuǎn)向安全性；區(qū)別于傳統(tǒng)的四輪轉(zhuǎn)向只需要兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)前后軸的轉(zhuǎn)向器便可完成四輪轉(zhuǎn)向，該四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向角模塊四輪在結(jié)構(gòu)上完全解耦，因此需要布置與車輪數(shù)相同的四個(gè)轉(zhuǎn)向電機(jī)來分別驅(qū)動(dòng)每個(gè)車輪的轉(zhuǎn)向，這樣當(dāng)轉(zhuǎn)向電機(jī)出現(xiàn)失效情況時(shí)，只會(huì)使得對(duì)應(yīng)的車輪轉(zhuǎn)向失效，而不會(huì)使整個(gè)軸上的2個(gè)車輪轉(zhuǎn)向全部失效。

45、2)結(jié)合經(jīng)過深度學(xué)習(xí)的各種駕駛員曲線map圖，在同等算力條件下，深度學(xué)習(xí)取得的駕駛員曲線map圖可以具有更高的泛化性，其在保證穩(wěn)定性的同時(shí)，其穩(wěn)態(tài)精度也較好。引入橫向速度以及橫擺角速度等控制量，可以提高汽車的操縱穩(wěn)定性；同時(shí)只需要借助一個(gè)簡(jiǎn)單的二階跟蹤微分器，得到需要的控制量，降低了控制系統(tǒng)的繁瑣程度，同時(shí)可以使控制系統(tǒng)無超調(diào)的達(dá)到控制目標(biāo)；本發(fā)明設(shè)計(jì)了一個(gè)帶寬計(jì)算方法，可以使系統(tǒng)響應(yīng)速度加快。

46、3)結(jié)合經(jīng)過深度學(xué)習(xí)的各種阿克曼轉(zhuǎn)向曲線map圖，經(jīng)過千萬個(gè)實(shí)車測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入深度學(xué)習(xí)取得的阿克曼轉(zhuǎn)向曲線map圖可以具有更高的泛化性，其在保證穩(wěn)定性的同時(shí)，其穩(wěn)態(tài)精度也較好，相比于其他理論性的控制方法，其在實(shí)車上的效果也更好。同時(shí)考慮到轉(zhuǎn)向時(shí)需求向心力與實(shí)際提供的向心力之間的關(guān)系，可以消除由于車輪側(cè)偏角帶來的轉(zhuǎn)向不足、轉(zhuǎn)向過度等一系列問題。