CN120681225A - 一种基于零质心侧偏角的后轮转向控制方法和系统 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种基于零质心侧偏角的后轮转向控制方法和系统，属于车辆动力控制技术领域，所述基于零质心侧偏角的后轮转向控制方法包括以下步骤：构建车辆线性二自由度动力学模型，将请求后轮转角正比于方向盘转角，得到零质心侧偏角的请求后轮转角的计算模型；基于所述计算模型计算请求后轮齿条位移；基于所述请求后轮齿条位移控制后轮转向。本公开能够直接以维持车辆质心侧偏角为零（或极小）作为核心控制目标，通过精确、协调地控制后轮转角，显著提升车辆在各种工况下的方向稳定性、轨迹保持能力和主动安全性。

Description

一种基于零质心侧偏角的后轮转向控制方法和系统

技术领域

本公开属于车辆动力控制技术领域，尤其涉及一种基于零质心侧偏角的后轮转向控制方法和系统。

背景技术

车辆的操纵稳定性是评价汽车主动安全性的核心指标之一，尤其在高速行驶或紧急避障等极限工况下至关重要。传统的转向系统仅依靠前轮转向，在追求低速灵活性的同时，往往难以兼顾高速行驶的稳定性。

后轮转向技术作为提升车辆操纵性能的有效手段，近年来在高端乘用车和部分商用车上得到广泛应用。通过在特定工况下主动控制后轮的转向角度，可以在低速时，使后轮与前轮反向转动，有效减小转弯半径，提升车辆的机动灵活性；高速时，使后轮与前轮同向转动，增强车辆的横摆阻尼和轨迹稳定性，提高高速变道或过弯时的安全性和乘坐舒适性。

目前主流的后轮转向控制策略主要基于车辆的横摆角速度和侧向加速度等状态量，通过设计前馈和反馈控制，然而，这种以横摆角速度跟踪为核心的控制策略存在以下显著问题和局限性，对质心侧偏角控制不足。现有控制策略虽然间接影响，但通常没有将质心侧偏角作为核心控制目标进行直接、精确的约束或归零。在高速、大侧向加速度或低附着路面等极限工况下，车辆仍可能产生不可忽视甚至危险的质心侧偏角；稳定性边界模糊。单纯跟踪横摆角速度并不能充分保证车辆始终处于稳定的相平面区域。车辆可能在满足横摆角速度目标的同时，质心侧偏角已接近或超过稳定极限。

综上所述，现有后轮转向控制技术主要聚焦于横摆角速度的跟踪与稳定性提升，缺乏一种直接以“零质心侧偏角”为核心控制目标的后轮转向主动控制方法。这种缺失使得车辆在面临极端驾驶条件时，其本质的侧向稳定性潜力未能被充分挖掘，存在安全隐患。

因此，有必要提供一种新的基于零质心侧偏角的后轮转向控制方法和系统解决上述技术问题。

发明内容

本公开的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于零质心侧偏角的后轮转向控制方法和系统。

本公开通过以下技术方案来实现上述目的：

一种基于零质心侧偏角的后轮转向控制方法，包括以下步骤：

构建车辆线性二自由度动力学模型，将请求后轮转角正比于方向盘转角，得到零质心侧偏角的请求后轮转角的计算模型；

基于所述计算模型计算请求后轮齿条位移；

基于所述请求后轮齿条位移控制后轮转向。

作为本公开的进一步优化方案，构建车辆线性二自由度动力学模型，将请求后轮转角正比于方向盘转角，得到零质心侧偏角的请求后轮转角的计算模型，包括：

构建车辆线性二自由度动力学模型；

基于所述车辆线性二自由度动力学模型，搭建后轮转向的稳态平衡方程；

在线性范围内，分别预设前、后轮的侧偏刚度，基于所述后轮转向的稳态平衡方程和前、后轮的侧偏刚度，得到前、后轮侧向力与其侧偏角的关系；

基于所述前、后轮侧向力与其侧偏角的关系得到后轮转向车辆的二自由度动力学方程；

基于所述后轮转向车辆的二自由度动力学方程，将后轮转角正比于前轮转角，用方向盘转角分别表示前、后轮转角，得到后轮转角正比于前轮转角时车辆质心侧偏角和横摆角速度对方向盘转角的响应方程；

设定后轮转角相对于前轮转角的比例常数，基于所述响应方程和所述比例常数表示零质心侧偏角的请求后轮转角的计算模型。

作为本公开的进一步优化方案，基于所述计算模型计算请求后轮齿条位移，包括：

将车辆基本参数输入所述计算模型计算得到请求后轮转角；

将所述请求后轮转角根据后轴转向梯形几何关系，换算为请求后轮齿条位移；

对所述请求后轮齿条位移的变化率、范围根据车速进行限制；

对限制后的后轮请求齿条位移进行滤波，得到有效的请求后轮齿条位移。

作为本公开的进一步优化方案，所述车辆基本参数包括质心到前后轴距离、整备质量、前后轴侧偏刚度、方向盘转角和车速。

一种基于零质心侧偏角的后轮转向控制系统，包括：

模型构建模块，用于构建车辆线性二自由度动力学模型，将请求后轮转角正比于方向盘转角，得到零质心侧偏角的请求后轮转角的计算模型；

后轮齿条位移计算模块，用于基于所述计算模型计算请求后轮齿条位移；

后轮转向控制模块，用于基于所述请求后轮齿条位移控制后轮转向。

作为本公开的进一步优化方案，所述模型构建模块构建车辆线性二自由度动力学模型，将请求后轮转角正比于方向盘转角，得到零质心侧偏角的请求后轮转角的计算模型，包括：

构建车辆线性二自由度动力学模型；

基于所述车辆线性二自由度动力学模型，搭建后轮转向的稳态平衡方程；

在线性范围内，分别预设前、后轮的侧偏刚度，基于所述后轮转向的稳态平衡方程和前、后轮的侧偏刚度，得到前、后轮侧向力与其侧偏角的关系；

基于所述前、后轮侧向力与其侧偏角的关系得到后轮转向车辆的二自由度动力学方程；

基于所述后轮转向车辆的二自由度动力学方程，将后轮转角正比于前轮转角，用方向盘转角分别表示前、后轮转角，得到后轮转角正比于前轮转角时车辆质心侧偏角和横摆角速度对方向盘转角的响应方程；

设定后轮转角相对于前轮转角的比例常数，基于所述响应方程和所述比例常数表示零质心侧偏角的请求后轮转角的计算模型。

作为本公开的进一步优化方案，所述后轮齿条位移计算模块基于所述计算模型计算请求后轮齿条位移，包括：

将车辆基本参数输入所述计算模型计算得到请求后轮转角；

将所述请求后轮转角根据后轴转向梯形几何关系，换算为请求后轮齿条位移；

对所述请求后轮齿条位移的变化率、范围根据车速进行限制；

对限制后的后轮请求齿条位移进行滤波，得到有效的请求后轮齿条位移。

作为本公开的进一步优化方案，所述车辆基本参数包括质心到前后轴距离、整备质量、前后轴侧偏刚度、方向盘转角和车速。

一种搭载基于零质心侧偏角的后轮转向控制系统的车辆，包括后轮转向系统、车速传感器和方向盘转角传感器；

所述后轮转向系统包含线性位移传感器、后轮转向控制器、后轮转向执行电机；

所述线性位移传感器用于检测后轮转向器齿条实际位置；

所述后轮转向控制器用于采集传感器信号，并进行判断，最终向执行电机发送电流请求；

所述后轮转向执行电机用于执行所述后轮转向控制器发送的电流请求；

所述车速传感器安装在四个车轮上，由制动系统根据脉冲信号计算四轮轮速，并计算整车车速；

所述方向盘转角传感器用于采集驾驶员转动方向盘的实际角度。

一种电子设备，其特征在于，包括处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，处理器、通信接口和存储器通过通信总线完成相互间的通信；

存储器，用于储存计算机程序；

处理器，用于执行存储器所储存的程序，实现所述的基于零质心侧偏角的后轮转向控制方法。

本公开的有益效果在于：

本公开能够直接以维持车辆质心侧偏角为零（或极小）作为核心控制目标，通过精确、协调地控制后轮转角，显著提升车辆在各种工况下的方向稳定性、轨迹保持能力和主动安全性。

附图说明

图1是本公开的实施例中的方法流程图；

图2是本公开的实施例中的后轮转向二自由度动力学模型示意图；

图3是本公开的实施例中的系统框架图；

图4是本公开的实施例中的搭载基于零质心侧偏角的后轮转向控制系统的车辆示意图；

图5是本公开的实施例中的基于零质心侧偏角的后轮转向控制方法测量的蛇形工况侧向加速度-方向盘转角响应特性曲线图；

图6是本公开的实施例中的基于零质心侧偏角的后轮转向控制方法测量的蛇形工况横摆角速度-方向盘转角响应特性曲线图；

图7是本公开的实施例中的基于零质心侧偏角的后轮转向控制方法测量的双移线工况质心侧偏角响应特性曲线图；

图8是本公开的实施例中的电子设备框架图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请做进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。

如图1所示，一种基于零质心侧偏角的后轮转向控制方法，包括以下步骤：

S1、构建车辆线性二自由度动力学模型，将请求后轮转角正比于方向盘转角，得到零质心侧偏角的请求后轮转角的计算模型，具体包括：

首先建立车辆线性二自由度动力学模型，如图2所示，再搭建后轮转向的稳态平衡方程：

；

；

上式中，F _y1 、F _y2分别表示前、后轮的侧向力，a、b分别表示质心到前后轴的距离，V表示质心速度，m表示整车质量，β表示质心侧偏角，ω表示车辆的横摆角速度，I表示横摆转动惯量。

在线性范围内，设前、后轮的侧偏刚度分别为K _f 、K _r，则前、后轮侧向力与其侧偏角的关系可表示为：

；

；

式中，a _f为前轮侧偏角，a _r为后轮侧偏角，δ _f为前轮转角，δ _r为后轮转角。

由此即可得到后轮转向车辆的二自由度动力学方程为：

；

；

采用后轮转角正比于前轮转角的控制方法，在这种情况下，前、后轮转角可分别用方向盘转角表示为：

；

；

式中，δ表示方向盘转角，n表示方向盘转角到前轮转角的传动比，k表示后轮转角与前轮转角的比例系数。

此时可得到后轮转角正比于前轮转角时车辆质心侧偏角和横摆角速度对方向盘转角的响应：

；

式中，为质心侧偏角表达式，为方向盘转角表达式，为转动惯量。

设定后轮转角相对于前轮转角的比例常数为k，使上式中分子为零的k可表示为：

；

此时，稳态转向时车辆的质心侧偏角恒为零，即车辆行驶方向与车辆航向方向是一致的，请求后轮转角可表示为：

。

S2、基于所述计算模型计算请求后轮齿条位移，具体包括：

将质心到前后轴距离、整备质量、前后轴侧偏刚度、方向盘转角、车速等输入信号输入零质心侧偏角的请求后轮转角的计算模型，计算得到请求后轮转角；

将所计算的请求后轮转角根据后轴转向梯形几何关系，换算为请求后轮齿条位移；

对请求后轮齿条位移的变化率、范围根据车速进行限制，防止信号超出合理范围；

对限制后的后轮请求齿条位移进行滤波，防止信号跳变；

输出最终的有效请求后轮齿条位移。

S3、基于所述请求后轮齿条位移控制后轮转向，具体包括：

将请求后轮齿条位移传输至后轮转向控制器，所述后轮转向控制器控制后轮转向执行电机转动，推动后轮转向器，从而带动后轮转动。

如图3所示，本公开的实施例提供了一种基于零质心侧偏角的后轮转向控制系统，包括：

模型构建模块，用于构建车辆线性二自由度动力学模型，将请求后轮转角正比于方向盘转角，得到零质心侧偏角的请求后轮转角的计算模型；

后轮齿条位移计算模块，用于基于所述计算模型计算请求后轮齿条位移；

后轮转向控制模块，用于基于所述请求后轮齿条位移控制后轮转向。

上述系统中各个模块的功能和作用的实现过程具体详见上述方法中对应步骤的实现过程，在此不再赘述。

对于系统实施例而言，由于其基本对应于方法实施例，所以相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本公开方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

如图4所示，本公开还提出一种基于零质心侧偏角的后轮转向控制系统的车辆，其架构特点包括：

后轮转向系统3、车速传感器2、方向盘转角传感器1。

所述后轮转向系统3包含线性位移传感器、后轮转向控制器、后轮转向执行电机；

所述线性位移传感器用于检测后轮转向器齿条实际位置；

所述后轮转向控制器用于采集传感器信号，并进行判断，最终向执行电机发送电流请求；

所述后轮转向执行电机用于执行所述后轮转向控制器发送的电流请求；

所述车速传感器2安装在四个车轮上，由制动系统根据脉冲信号计算四轮轮速，并计算整车车速；

所述方向盘转角传感器1用于采集驾驶员转动方向盘的实际角度。

将搭载所述基于零质心侧偏角的后轮转向车辆进行蛇形试验，试验方法为：保持车辆恒定速度为120km/h，以正弦输入的形式转动方向盘，方向盘输入角度的正周期为4s，幅值为60°。采集测试过程中的方向盘角度信号、侧向加速度信号、横摆角速度信号，并对采集的信号进行滤波处理，并与普通前馈后轮转向控制策略、关闭后轮转向策略进行横向对比，结果如图5、图6所示：采用零质心侧偏角的后轮转向控制策略车辆的侧向加速度对方向盘转角的响应及横摆角速度对方向盘转角的响应，相比关闭后轮转向的策略高速稳定性提升约35%，相比前馈控制策略的高速稳定性提升约15%；图5中，纵坐标LateralAcceleration为侧向加速度，横坐标SteeringWheelAngle为方向盘角度，On Zero-Beta RWS为基于零质心侧偏角的后轮转向策略的曲线，Standand RWS为前馈控制后轮转向策略曲线，WithoutRWS为关闭后轮转向曲线；图6中，纵坐标Yawrate为横摆角速度；

将搭载所述基于零质心侧偏角的后轮转向车辆进行双移线试验，试验方法为：保持车辆初始120km/h车速，尽快控制车辆向左变道，完成变道后迅速控制车辆再向右变道，直至车身稳定。采集测试过程中的质心侧偏角信号，并对采集的信号进行滤波处理，并与普通前馈后轮转向控制策略、关闭后轮转向策略进行横向对比，结果如图7所示：采用零质心侧偏角的后轮转向控制策略车辆的质心侧偏角，相比关闭后轮转向的策略，约减少33%，相比前馈控制的策略，约减少8%。图7中纵坐标Beta为质心侧偏角，横坐标Time为时间（s）。

试验表明：使用零质心侧偏角的控制策略，可以明显增加高速时的横向稳定性，同时可大幅减少质心侧偏角，基本可使质心侧偏角保持为接近零的值。

参见图8，本公开的实施例提供的电子设备，包括处理器1110、通信接口1120、存储器1130和通信总线1140，其中，处理器1110，通信接口1120，存储器1130通过通信总线1140完成相互间的通信；

存储器1130，用于储存计算机程序；

处理器1110，用于执行存储器1130上所储存的程序时，实现上述的基于零质心侧偏角的后轮转向控制方法。

上述的通信总线1140可以是外设部件互连标准(Peripheral ComponentInterconnect，简称PCI)总线或扩展工业标准结构(Extended Industry StandardArchitecture，简称EISA)总线等。该通信总线1140可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。

通信接口1120用于上述电子设备与其他设备之间的通信。

存储器1130可以包括随机存取存储器(Random Access Memory，简称RAM)，也可以包括非易失性存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。可选的，存储器1130还可以是至少一个位于远离前述处理器1110的存储装置。

以上所述实施例仅表达了本公开的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本公开专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本公开构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本公开的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于零质心侧偏角的后轮转向控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

构建车辆线性二自由度动力学模型，将请求后轮转角正比于方向盘转角，得到零质心侧偏角的请求后轮转角的计算模型；

基于所述计算模型计算请求后轮齿条位移；

基于所述请求后轮齿条位移控制后轮转向。

2.根据权利要求1所述的一种基于零质心侧偏角的后轮转向控制方法，其特征在于，构建车辆线性二自由度动力学模型，将请求后轮转角正比于方向盘转角，得到零质心侧偏角的请求后轮转角的计算模型，包括：

构建车辆线性二自由度动力学模型；

基于所述车辆线性二自由度动力学模型，搭建后轮转向的稳态平衡方程；

在线性范围内，分别预设前、后轮的侧偏刚度，基于所述后轮转向的稳态平衡方程和前、后轮的侧偏刚度，得到前、后轮侧向力与其侧偏角的关系；

基于所述前、后轮侧向力与其侧偏角的关系得到后轮转向车辆的二自由度动力学方程；

基于所述后轮转向车辆的二自由度动力学方程，将后轮转角正比于前轮转角，用方向盘转角分别表示前、后轮转角，得到后轮转角正比于前轮转角时车辆质心侧偏角和横摆角速度对方向盘转角的响应方程；

设定后轮转角相对于前轮转角的比例常数，基于所述响应方程和所述比例常数表示零质心侧偏角的请求后轮转角的计算模型。

3.根据权利要求1所述的一种基于零质心侧偏角的后轮转向控制方法，其特征在于，基于所述计算模型计算请求后轮齿条位移，包括：

将车辆基本参数输入所述计算模型计算得到请求后轮转角；

将所述请求后轮转角根据后轴转向梯形几何关系，换算为请求后轮齿条位移；

对所述请求后轮齿条位移的变化率、范围根据车速进行限制；

对限制后的后轮请求齿条位移进行滤波，得到有效的请求后轮齿条位移。

4.根据权利要求3所述的一种基于零质心侧偏角的后轮转向控制方法，其特征在于，所述车辆基本参数包括质心到前后轴距离、整备质量、前后轴侧偏刚度、方向盘转角和车速。

5.一种基于零质心侧偏角的后轮转向控制系统，其特征在于，包括：

模型构建模块，用于构建车辆线性二自由度动力学模型，将请求后轮转角正比于方向盘转角，得到零质心侧偏角的请求后轮转角的计算模型；

后轮齿条位移计算模块，用于基于所述计算模型计算请求后轮齿条位移；

后轮转向控制模块，用于基于所述请求后轮齿条位移控制后轮转向。

6.根据权利要求5所述的一种基于零质心侧偏角的后轮转向控制系统，其特征在于，所述模型构建模块构建车辆线性二自由度动力学模型，将请求后轮转角正比于方向盘转角，得到零质心侧偏角的请求后轮转角的计算模型，包括：

构建车辆线性二自由度动力学模型；

基于所述车辆线性二自由度动力学模型，搭建后轮转向的稳态平衡方程；

在线性范围内，分别预设前、后轮的侧偏刚度，基于所述后轮转向的稳态平衡方程和前、后轮的侧偏刚度，得到前、后轮侧向力与其侧偏角的关系；

基于所述前、后轮侧向力与其侧偏角的关系得到后轮转向车辆的二自由度动力学方程；

基于所述后轮转向车辆的二自由度动力学方程，将后轮转角正比于前轮转角，用方向盘转角分别表示前、后轮转角，得到后轮转角正比于前轮转角时车辆质心侧偏角和横摆角速度对方向盘转角的响应方程；

设定后轮转角相对于前轮转角的比例常数，基于所述响应方程和所述比例常数表示零质心侧偏角的请求后轮转角的计算模型。

7.根据权利要求5所述的一种基于零质心侧偏角的后轮转向控制系统，其特征在于，所述后轮齿条位移计算模块基于所述计算模型计算请求后轮齿条位移，包括：

将车辆基本参数输入所述计算模型计算得到请求后轮转角；

将所述请求后轮转角根据后轴转向梯形几何关系，换算为请求后轮齿条位移；

对所述请求后轮齿条位移的变化率、范围根据车速进行限制；

对限制后的后轮请求齿条位移进行滤波，得到有效的请求后轮齿条位移。

8.根据权利要求7所述的一种基于零质心侧偏角的后轮转向控制系统，其特征在于，所述车辆基本参数包括质心到前后轴距离、整备质量、前后轴侧偏刚度、方向盘转角和车速。

9.一种搭载如权利要求5-8任一项所述的基于零质心侧偏角的后轮转向控制系统的车辆，其特征在于，包括后轮转向系统、车速传感器和方向盘转角传感器；

所述后轮转向系统包含线性位移传感器、后轮转向控制器、后轮转向执行电机；

所述线性位移传感器用于检测后轮转向器齿条实际位置；

所述后轮转向控制器用于采集传感器信号，并进行判断，最终向执行电机发送电流请求；

所述后轮转向执行电机用于执行所述后轮转向控制器发送的电流请求；

所述车速传感器安装在四个车轮上，由制动系统根据脉冲信号计算四轮轮速，并计算整车车速；

所述方向盘转角传感器用于采集驾驶员转动方向盘的实际角度。

10.一种电子设备，其特征在于，包括处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，处理器、通信接口和存储器通过通信总线完成相互间的通信；

存储器，用于储存计算机程序；

处理器，用于执行存储器所储存的程序，实现权利要求1-4中任一项所述的基于零质心侧偏角的后轮转向控制方法。