四轮轮毂驱动车辆横向稳定性的底盘协同控制

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2024.10.002

摘要/Abstract

摘要：

为了改善四轮轮毂驱动车辆的横向稳定性，本文提出一种综合转矩协调和主动后轮转向的底盘协同控制策略。该策略旨在跟踪期望的车辆横摆角速度和质心侧偏角的同时，有效抑制车身侧倾。基于轮毂电机驱动产生的垂向反力特性，设计了车辆纵向、横摆和侧倾运动的转矩协调解耦控制策略。为降低车辆横向动力学建模时忽略的非线性因素及模型不确定性对控制性能的影响，面向底盘协同控制设计了一种基于扰动观测器的模型预测控制方法，对非线性特性和不确定性进行估计和补偿。同时开展了硬件在环测试，通过双移线工况验证了所提出方法的有效性。结果表明，所提出的底盘协同控制策略能够有效提升车辆的横向稳定性，并减小车身侧倾运动；包含扰动观测的控制策略相比于无扰动观测补偿，对期望横摆角速度和质心侧偏角的跟踪误差分别降低了56.9%和27.3%，而车身侧倾角和侧倾角速度分别降低了8.9%和12.5%。

关键词: 轮毂驱动, 横向稳定性, 后轮转向, 扰动观测器, 转矩协调, 模型预测控制

Abstract:

To improve the lateral stability of four-in-wheel-motor-drive vehicles， in this paper a chassis coordinated control strategy that integrates torque coordination and active rear steering is proposed. The strategy aims to track the ideal yaw rate and sideslip angle while effectively reduce the body roll motion. Based on the characteristics of the vertical reaction force generated by the in-wheel motor， the decoupled control for the longitudinal， yaw and roll motions of the vehicles is designed based on torque coordination. To decrease the effect of ignored nonlinearity and uncertainty in modeling lateral dynamics on the control performance， a disturbance observer-based model predictive control for chassis cooperative control is designed to estimate and compensate the nonlinearity and uncertainty. To verify the effectiveness of the proposed method， a hardware-in-the-loop test is conducted for the double lane change maneuver. The results show that the proposed control strategy can improve the lateral stability and reduce the roll motion of the vehicle body. Furthermore， compared to the control without disturbance compensation， the disturbance observer-based control reduces the tracking errors of the desired yaw rate and sideslip angle by 56.9% and 27.3%， and the body roll angle and roll rate by 8.9% and 12.5%， respectively.

Key words: in-wheel motor drive, lateral stability, rear steering, disturbance observer, torque coordination, model predictive control

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图/表 12

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参考文献 18

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参数	数值	参数	数值
m	1 412 kg	m_s	1 270 kg
I_z	1 537 kg·m²	I_x	537 kg·m²
l_f	1.02 m	l_r	1.89 m
d_f	1.68 m	d_r	1.68 m
h	0.54 m	h_s	0.5 m
C_α_f	50 000 N/rad	C_α_r	40 000 N/rad
K_?	150 000 N·m/rad	C_?	20 000 N·m·s/rad
η_f	20°	η_r	20°

参数	数值
T_s	0.01 s
N_p	16
N_c	3
Q_4×4	diag｛5 000， 10 000， 5 000， 1 000｝
R_3×3	diag｛0.6， 0.03， 0.15｝
L_d	diag｛100， 100， 100， 100｝
T_max	300 N·m

控制策略	横摆角速度	质心侧偏角	侧倾角	侧倾角速度
无控制	0.080 1	0.025 9	0.025 1	0.058 3
DYC-ARS	0.006 7	0.005 6	0.017 3	0.043 5
DYC-ARS-RMC	0.006 5	0.005 5	0.015 8	0.040 1
DYC-ARS-RMC-DO	0.002 8 （-96.5%/-56.9%）	0.004 0 （-84.6%/27.3%）	0.014 4 （-42.6%/-8.9%）	0.035 1 （-39.8%/-12.5%）

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