[发明专利]一种极限工况下保持汽车横向稳定的四轮转向控制方法

说明书

一种极限工况下保持汽车横向稳定的四轮转向控制方法，其特征在于，该方法包括参考模型、轮胎侧向力和侧偏刚度处理器、MPC控制器、汽车模型。参考模型用于确定期望的汽车横摆角速度；轮胎侧向力和侧偏刚度处理器用于确定轮胎的侧偏角、侧向力和侧偏刚度；汽车模型用于输出汽车的实际运动状态信息，包括汽车纵向速度、横摆角速度、质心侧偏角和路面附着系数；MPC控制器结合期望的汽车横摆角速度和汽车的实际运动状态信息，优化求解出汽车的后轮转角，输出给汽车模型，控制汽车实现极限工况下的横向稳定性。

技术领域

本发明涉及汽车横向稳定性控制领域，特别是关于一种极限工况下保持汽车横向稳定的四轮转向控制方法。

背景技术

随着人们对汽车行驶安全性越来越重视，汽车主动安全系统得到快速发展，其中四轮转向(4Wheel Steering,4WS)技术作为一种提高汽车稳定性的有效手段已得到了广泛的认可，运用4WS技术，可以有效地减小汽车低速行驶时的转弯半径，提高汽车高速行驶时的稳定性。

目前，4WS系统所采用的控制方法主要有PID控制、鲁棒性控制、神经网络控制和模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)等方法，其中模型预测控制因能较好地处理多目标任务以及系统约束，在汽车横向稳定性控制领域得到了广泛的应用。

根据其采用的预测模型以及优化方法的不同，MPC可分为线性MPC和非线性MPC。线性MPC凭借其计算负担少，计算速度快而得到广泛使用，但线性MPC不能表征非线性区域的轮胎侧偏特性，因此导致极限工况下控制效果不理想，而能表征汽车非线性动力学特性的非线性MPC虽然在极限工况下能够达到理想的控制效果，但控制器计算负担太重，实时性差，因此很难应用于实际。论文[陈杰,李亮,宋健.基于LTV-MPC的汽车稳定性控制研究[J].汽车工程，2016，38(3):308-316.]采用一种线性时变的MPC方法，通过对目标横摆角速度的限幅，实现极限工况的汽车稳定性控制，减少系统的计算负担。但是，目标横摆角速度幅值的限制依赖于车速和路面附着系数的精确估计，并且当轮胎侧向力饱和时，所采用的线性时变MPC方法不能体现出轮胎侧向力(绝对值)随着轮胎侧偏角的增加而减小的非线性变化特性。论文[Cairano S D,Tseng H E,Bernardini D,et al.Steering Vehicle Controlby Switched Model Predictive Control[J].IFAC Proceedings Volumes,2010,43(7):1-6.]根据汽车的运动状态设计一种切换控制器，考虑了极限工况下轮胎侧向力(绝对值)随着轮胎侧偏角的增加而减小的变化特性，但是该方法采用的仍然是线性的轮胎模型，不能表征轮胎的非线性特性。

发明内容

为了解决现有的线性MPC方法不能全面表征轮胎的非线性特性而导致的汽车在极限工况下横向稳定性差，甚至失稳的问题。本发明提供一种极限工况下保持汽车横向稳定的四轮转向控制方法，在轮胎侧向力达到饱和时，采用线性时变的方法将非线性预测控制问题转换成线性预测控制问题，在表征轮胎非线性特性的同时减小系统的计算负担，保证汽车在极限工况下的横向稳定性。

本发明解决技术问题所采取的技术方案如下：

一种极限工况下保持汽车横向稳定的四轮转向控制方法，其特征在于，该方法包括参考模型、轮胎侧向力和侧偏刚度处理器、MPC控制器、汽车模型。参考模型用于确定期望的汽车横摆角速度；轮胎侧向力和侧偏刚度处理器用于确定轮胎的侧偏角、侧向力和侧偏刚度；汽车模型用于输出汽车的实际运动状态信息，包括汽车纵向速度、横摆角速度、质心侧偏角和路面附着系数；MPC控制器结合期望的汽车横摆角速度和汽车的实际运动状态信息，优化求解出汽车的后轮转角，输出给汽车模型，控制汽车实现极限工况下的横向稳定性。

该方法包括以下步骤：

步骤1、建立参考模型，确定期望的汽车横摆角速度，其过程包括如下子步骤：