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原文传递全轮独立转向及独立驱动无人车直接力动力学控制方法及系统

专利名称：	全轮独立转向及独立驱动无人车直接力动力学控制方法及系统
摘要：	本发明提供一种全轮独立转向及独立驱动无人车直接力动力学控制方法及系统，通过对车辆各独立驱动车轮的纵向驱动力的直接控制，实现车辆各平面运动自由度的解耦，使车辆质心处的平面运动矢量可以直接受控，进而使车辆完成传统车辆无法完成的高机动性动作，包括平面蟹形运动与原地转向运动等，大幅提高无人车的轨迹跟踪能力与机动能力。本发明适用于采用全轮独立转向及独立驱动技术的无人车，采用该直接力动力学控制系统能够实现各车轮转向角及驱动力的综合协调控制，使车辆更好的完成平面蟹形运动、原地转向运动等复杂动作，提高无人车在狭窄空间等极端环境下的轨迹跟踪能力与机动能力，满足民用复杂场景或军用场景下无人车的使用需要。
专利类型：	发明专利
申请人：	北京理工大学
发明人：	倪俊;姜旭;李远哲;袁昊;吴家枫
专利状态：	有效
申请日期：	1900-01-20T19:00:00+0805
发布日期：	1900-01-20T01:00:00+0805
申请号：	CN202010062228.9
公开号：	CN111086400A
代理机构：	北京理工大学专利中心
代理人：	许姣
分类号：	B60L15/20;B62D7/15;B;B60;B62;B60L;B62D;B60L15;B62D7;B60L15/20;B62D7/15
申请人地址：	100081 北京市海淀区中关村南大街5号
主权项：	1.全轮独立转向及独立驱动无人车直接力动力学控制方法，所述无人车的四个车轮均为独立驱动车轮；其特征在于：当所述无人车处于前后桥同相位转向换道模式时：基于车辆动力学模型，计算在当前模式下的目标主动横摆力矩，使所述无人车的理想质心侧偏角βd及理想横摆角速度rd满足下述公式：其中：δ为车辆前后车轮转角；t指时间；然后将计算的目标主动横摆力矩以车轮驱动力的形式分配至所述无人车的各独立驱动车轮；当所述无人车处于原地转向模式时：首先将无人车的各独立转向车轮控制在设定位置，该设定位置使在原地转向过程中所述无人车的转向中心位于车辆形心或质心位置；然后将设定的主动横摆力矩以车轮驱动力的形式分配至所述无人车的各独立驱动车轮，各车轮独立驱动力按照车轮垂直载荷的比例进行分配，主动横摆力矩与各车轮驱动力的关系为：其中：M′des为设定的主动横摆力矩；B为车辆轮距；k为离散时间；L为车辆轴距；Fx11为左前车轮驱动力；Fx12为右前车轮驱动力；Fx21为左后车轮驱动力；Fx22为右后车轮驱动力；Fz11为左前车轮垂向力；Fz12为右前车轮垂向力；Fz21为左后车轮垂向力；Fz22为右后车轮垂向力。 2.如权利要求1所述的全轮独立转向及独立驱动无人车直接力动力学控制方法，其特征在于，当所述无人车处于前后桥同相位转向换道模式时，采用下述方法进行目标主动横摆力矩的计算：建立所述无人车包含参数不确定性及主动横摆力矩输入的闭环动力学方程： u(t)＝Kx(t) 其中：x(t)为车辆的横向动力学状态参数；u(t)为主动横摆力矩输入，w(t)为前后轮转向轮转角输入；K为控制率；A、B2、B1是无人车的状态参数矩阵，由无人车的动力学状态参数决定；ΔA、ΔB2、ΔB1是无人车横向动力学系统的不确定矩阵，用来表征参数不确定性；采用鲁棒控制方法计算所述控制率K；令主动横摆力矩鲁棒控制器的控制输出为z1(t)和z2(t)，则有：式中：设计控制律K，以满足：且式中：γ1和γ2为一个给定的实数；β为目标质心侧偏角，r为目标横摆角速度；在获得控制律K后，无人车的目标主动横摆力矩即为u(t)＝Kx(t)。 3.如权利要求2所述的全轮独立转向及独立驱动无人车直接力动力学控制方法，其特征在于，当所述无人车处于前后桥同相位转向换道模式时，按照各车轮垂直载荷的比例分配各独立驱动车轮的驱动力：令无人车左侧车轮和右侧车轮的驱动力分配比例函数为：式中：κl为左侧车轮的驱动力分配比例函数；κr为右侧车轮的驱动力分配比例函数；Fx11为左前车轮驱动力；Fx12为右前车轮纵向驱动力；Fx21为左后车轮驱动力；Fx22为右后车轮驱动力；Fz11为左前车轮垂向力；Fz12为右前车轮垂向力；Fz21为左后车轮垂向力；Fz22为右后车轮垂向力；k为离散时间；车辆的目标总驱动力FxT、目标主动横摆力矩Mdes和各车轮驱动力的关系为：式中：B为车辆轮距；lf为无人车质心到前轴距离；lr为无人车质心到后轴距离；δ为车轮转角；则各独立驱动车轮的驱动力分配结果为： 4.全轮独立转向及独立驱动无人车直接力动力学控制系统，采用上述权利要求1-3任一项所述的直接力动力学控制方法；其特征在于，所述直接力动力学控制系统包括：控制指令层、底盘上层控制层、底盘下层控制层、执行机构控制层和状态参数反馈层；所述控制指令层用于将底盘控制指令发送给底盘上层控制层，所述底盘控制指令包括：目标转向模式、目标车轮转角、目标总驱动力、目标总制动力；所述底盘上层控制层包括：目标指令解算模块和横摆力矩计算模块；所述底盘上层控制层接收到所述底盘控制指令后，所述目标指令解算模块进行底盘控制指令的解算；当所述无人车处于前后桥同相位转向换道模式时，所述横摆力矩计算模块基于车辆动力学模型，计算在当前模式下的目标主动横摆力矩；当所述无人车处于原地转向模式时，所述横摆力矩计算模块直接接收所述控制指令层发送的主动横摆力矩；所述底盘上层控制层将解算的目标指令和计算的目标横摆力矩或接收的主动横摆力矩发送给底盘下层控制层；所述底盘下层控制层依据控制指令中的目标总驱动力和底盘上层控制层所计算的目标主动横摆力矩计算每个独立驱动车轮的纵向驱动力；然后依据计算得到的每个独立驱动车轮的纵向驱动力后将对应的控制信息发送给执行机构控制层；所述底盘下层控制层还依据所解算的目标指令，将对应的控制信息发送给执行机构控制层；同时所述还通过对各独立驱动车轮的驱动电机的控制实现各独立驱动车轮滑移率的控制；所述执行机构控制层依据接收到的底盘下层控制层的控制信息实现对线控转向系统、线控驱动系统及线控制动系统中执行机构的控制；所述车辆状态参数反馈层用于对车辆的动力学状态参数进行实时监测，并反馈给底盘上层控制层；所述车辆的动力学状态参数包括：车辆速度、横摆角速度、质心侧偏角、电机转矩和电机转速。
所属类别：	发明专利