1.一种基于四轮独立驱/制动车辆的主动安全控制系统,其特征在于:包括车辆实时数据模块、中央计算模块、主动控制协调模块、执行机构模块;
所述车辆实时数据模块用于获取四轮驱动力矩、四轮角速度、横摆角速度、质心侧偏角、车辆纵向速度、车辆侧向速度以及车辆固定参数;
所述中央计算模块包括车辆状态判断模块、ESC控制模块、RSC控制模块;
其中,所述车辆状态判断模块包括横摆稳定性判断单元、侧翻稳定性判断单元、路面附着系数估计单元、车轮抱死判断单元,通过接收车辆实时数据模块输出的参数信号并进行车辆横摆稳定、侧翻稳定、车轮抱死状态判断以及对路面附着系数进行估计;
所述ESC控制模块用于计算车辆横摆失稳后恢复稳定所需附加的横摆制动力矩,并将附加横摆制动力矩根据相应规则得到制动力分配到相应车轮;
所述RSC控制模块用于计算车辆侧翻失稳后恢复稳定所需附加的横摆制动力矩,并将附加横摆制动力矩根据相应规则得到制动力分配到相应车轮;
所述主动控制协调模块包括ESC、RSC协调控制模块、防抱死ABS协调控制模块;
其中,所述ESC、RSC协调控制模块接收ESC控制模块、RSC控制模块输出的相应四轮附加制动力,并对ESC控制模块、RSC控制模块输出的四轮附加制动力进行协调控制,得到期望四轮制动力;
所述防抱死ABS协调控制模块接收ESC、RSC协调控制模块输出的期望四轮制动力,进行防抱死调节,并输出最终四轮附加制动力、四轮附加驱动力;
所述执行机构模块包括线控制动执行模块、线控驱动执行模块;线控制动执行模块根据最终四轮附加制动力对车轮进行制动,线控驱动执行模块根据四轮附加驱动力对车轮进行驱动。
2.根据权利要求1所述的一种基于四轮独立驱/制动车辆的主动安全控制系统,其特征在于:
所述车辆固定参数内存储有本车车辆结构固定参数信息,包括:整车质量、前轴距离质心距离、后轴距离质心距离、前轴等效侧偏刚度、后轴等效侧偏刚度、前轴轮距、后轴轮距、车轮转动惯量、车轮半径。
3.基于权1或权2所述的一种基于四轮独立驱/制动车辆的主动安全控制系统的方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一:根据车辆实时数据模块提供的参数进行路面附着系数估计;
步骤二:对车辆进行横摆失稳判断,若车辆处于稳定状态,ESC不工作,当车辆为失稳状态,ESC介入开始工作;
步骤三:对车辆进行侧翻失稳判断,若车辆即将发生侧翻的情况,此时RSC介入工作;
步骤四:进行车轮抱死判断,若判断车轮发生抱死,ABS介入工作;
步骤五:当发生横摆失稳情况时,进行ESC控制计算,包括横摆失稳附加横摆力矩计算和附加横摆力矩进行制动力分配;
步骤六:当发生侧翻失稳时,进行RSC失稳计算,包括侧翻失稳附加横摆力矩计算和附加横摆力矩进行制动力分配;
步骤七:ESC、RSC协调控制ESC与RSC输出附加四轮制动力;
步骤八:当ESC、RSC输出的附加四轮制动力经过ESC、RSC协调控制模块输出期望四轮附加制动力分配到每个车轮时,该车轮的最大制动力不能超过此时最佳滑移率对应的制动力,若超过则车轮将发生抱死,需进行防抱死ABS协调控制;
步骤九:最终输出四轮附加制动力以及四轮附加驱动力至执行机构模块相对应的线控制动执行模块以及线控驱动执行模块中。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于:
所述步骤一中,根据车辆实时数据模块提供的参数进行路面附着系数估计,计算公式如下:
式中,m为本车整车质量,g为重力加速度数值,a为本车前轴与质心的距离,b为本车后轴与质心的距离,hc为本车质心高度,B为本车前后轴轴距,vx为本车纵向车速,vy为本车侧向车速,Ti为本车四轮驱动力矩,Ii为本车四轮转动惯量,ωi为本车四轮角速度、Ri为本车四轮滚动半径、Ni为本车四轮垂向载荷、μ为估计的路面附着系数,其中i=fl、fr、rl、rr代表本车左前轮、右前轮、左后轮、右后轮。
5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于:
所述步骤二中的横摆失稳判断具体为:
横摆角速度和质心侧偏角是对于车辆稳定性控制的两个主要参量,因此设置该参量的门限值来判断车辆行驶时是否出现失稳现象,所述判断公式如下:|Δeγ|=|γ‑γ0|≤|c1γ|
|β+c2β′|≤c3
式中,c1、c2、c3为常数,γ为车辆实际横摆角速度,γ0为车辆期望横摆角速度,Δeγ为车辆实际横摆角速度与期望横摆角速度的偏差,β为车辆实际质心侧偏角,β′为车辆实际质心侧偏角的导数;
当车辆状态满足上述两个式子时车辆视为稳定状态,ESC不工作,当车辆状态不满足上述式子任意一个时,视为车辆为失稳状态,ESC介入开始工作。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于:
所述步骤三中,侧翻失稳判断具体为:
采用横向载荷转移率来判断车辆是否有发生侧翻的情况,所述横向载荷转移率计算公式如下:
其中,K1为车辆横向载荷转移率,Nfl为车轮左前轮垂向载荷,Nfr为车轮右前轮垂向载荷,Nrl为车轮左后轮垂向载荷,Nrr为车轮右后轮垂向载荷;
可知0≤|K1|≤1,当|K1|数值越大代表车辆越容易发生侧翻失稳情况,K1=1时,代表车辆向左侧侧翻情况,K1=‑1时,代表车辆向右侧侧翻情况;出于及早预防侧翻失稳情况,保证车辆行驶完全,取|K1|=c4为触发RSC的门限值,当|K1|
7.根据权利要求6所述的方法,其特征在于:
所述步骤四中的车轮抱死判断,具体为:
计算轮胎滑移率:
其中,λi为四个车轮的滑移率(i=fl、fr、rl、rr代表本车左前轮、右前轮、左后轮、右后轮),u代表车辆车速,ωi为四个车辆转速(i=fl、fr、rl、rr代表本车左前轮、右前轮、左后轮、右后轮),Ri为车轮滚动半径;
当车轮滑移率λi=15%‑20%时附着系数达到最大值,因此,为了取得最佳的制动效果,要控制其滑移率在15%‑20%范围内;当车轮制动力大于最佳滑移率对应的最大制动力时即认为发生抱死,ABS介入工作。
8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于:
所述步骤五中进行ESC控制计算具体包括:
若制动前内轮或者后外轮,当制动力太大时会造成其产生的横摆力矩出现相反的结果,不利于车辆的稳定性控制;当制动力在1800N左右附近时,四轮制动力所产生的横摆力矩是非常高效的,因此此处设置一门限值;
Fs_max=1800
式中,Fs_max为单轮制动力门限值,当单轮制动其制动力矩超过1800N时,采用单侧制动,能够最大化的利用每个车轮产生的横摆力矩;
(1)横摆失稳附加横摆力矩计算
ESC对车辆横摆稳定性控制时,是对横摆角速度以及质心侧偏角进行控制,从而计算出维持汽车横摆稳定所需的附加横摆力矩;
其中,Δm为ESC计算得出应对失稳车辆附加的横摆力矩,c5、c6、c7为常数值,β为车辆实际质心侧偏角,为车辆期望质心侧偏角,γ为车辆实际横摆角速度, 为车辆期望横摆角速度;
系统设置方向盘左转时,δ≥0,当横摆角速度逆时针变化时,γ、 为正,(2)附加横摆力矩进行制动力分配
由ESC计算模块输出的附加横摆力矩分配给制动车轮
式中,Ffl、Ffr、Frl、Frr分别为左前轮附加制动力、右前轮附加制动力、左后轮附加制动力、右后轮附加制动力,Δm为ESC计算模块输出的附加横摆力矩、B为本车轴距、c8、c9、c10、c11为分配系数,其中c8+c9+c10+c11=1;
当前轮转角δ≥0时
a1:若Δω<0,可知车辆左转失稳,出现不足转向,若将横摆力矩全部转为制动左后轮时,Frl+Frl0
若Frl+Frl0≥Fs_max,则优先采用左后轮和左前轮一起制动,此时c9=c11=0、c8=c10=0.5,输出Ffl、Ffr、Frl、Frr,其中,Frl0为左后轮原始制动力;
a2:若Δω>0,可知车辆左转失稳,出现过度转向,若将横摆力矩全部转为制动右前轮时,Ffr+Ffr0
若Ffr+Ffr0≥Fs_max,则优先采用右前轮和右后轮一起制动,此时c8=c10=0、c9=c11=0.5,输出Ffl、Ffr、Frl、Frr;
当前轮转角δ<0时
a1:若Δω<0,可知车辆右转失稳,出现过度转向,若将横摆力矩全部转为制动左前轮时,Ffl+Ffl0
若Ffl+Ffl0≥Fs_max,则优先采用左前轮和左后轮一起制动此时c9=c11=0、c8=c10=0.5,输出Ffl、Ffr、Frl、Frr;
a2:若Δω>0,可知车辆右转失稳,出现不足转向,若将横摆力矩全部转为制动右后轮时,Frr+Frr0
若Frr+Frr0≥Fs_max,则优先采用右后轮和右前轮一起制动,此时c8=c10=0、c9=c11=0.5,输出Ffl、Ffr、Frl、Frr。
9.根据权利要求8所述的方法,其特征在于:
所述步骤六中,当发生侧翻失稳时,进行RSC失稳计算具体包括:设置临界车速vs=c12,当实际车速u≤vs时,采用降低横摆角速度方式控制侧翻失稳;当实际车速u>vs时,采用降低横摆角速度和车速的方式控制侧翻失稳;
(1)侧翻失稳附加横摆力矩计算
其中,Δm为侧翻失稳所需附加的横摆力矩,c13、c14、c15为常值系数, 为侧倾角偏差,为实际车辆侧倾角, 为期望车辆侧倾角;
(2)附加横摆力矩进行制动力分配
当前轮转角δ≥0时;
若车速u≤vs时,采用降低车辆的横摆角速度来限制车辆侧翻失稳情况,单轮制动效率最高,优先采用单轮制动;若进行单轮制动时附加横摆力矩所需要的制动力Ffr
若Ffr≥Fs_max时,进行单侧制动,采用制动右前轮和右后轮的方式,此时c8=c10=0、c9=c11=0.5,输出Ffl、Ffr、Frl、Frr;
若车速u>vs时,采用降低车辆的车速和横摆角速度来共同限制车辆侧翻失稳情况,采用制动右前轮、右后轮、左后轮进行侧翻稳定性的控制,此时,c8=0、 输出Ffl、Ffr、Frl、Frr;
当前轮转角δ<0时;
若车速u≤vs时,采用降低车辆的横摆角速度来限制车辆侧翻失稳情况,单轮制动效率最高,优先采用单轮制动;若进行单轮制动时附加横摆力矩所需要的制动力Ffl
若Ffl≥Fs_max时,进行单侧制动,采用制动左前轮和左后轮的方式,此时c9=c11=0、c8=c10=0.5,输出Ffl、Ffr、Frl、Frr;
若车速u>vs时,采用降低车辆的车速和横摆角速度来共同限制车辆侧翻失稳情况,采用制动左前轮、左后轮、右后轮进行侧翻稳定性的控制,此时,c9=0、 输出Ffl、Ffr、Frl、Frr。
10.根据权利要求9所述的方法,其特征在于:
步骤七中ESC、RSC协调控制具体为:
由车辆状态判断模块给ESC、RSC协调控制模块传递信号;
(1)、当车辆没有发生侧翻失稳以及横摆失稳,ESC、RSC协调控制模块输出值为0;
(2)、当车辆只发生横摆失稳情况,ESC、RSC协调控制模块输出ESC控制模块输出的附加横摆四轮制动力Ffl、Ffr、Frl、Frr;
(3)、当车辆发生侧翻失稳情况,设置常数c12为触发RSC的紧急阈值,其中|c4|<|c12|<1;
a、当|K1|≥|c12|时,表明车辆处于侧翻失稳的极限状态,优先进行防侧翻控制,ESC、RSC协调控制模块输出RSC控制模块输出的附加横摆四轮制动力Ffl、Ffr、Frl、Frr;
b、当|K1|<|c12|时:
b1、若是没有发生横摆失稳,则ESC、RSC协调控制模块输出RSC控制模块输出的附加横摆四轮制动力Ffl、Ffr、Frl、Frr;
b2、若车辆发生横摆失稳且车辆处于过度转向状态,此时ESC与RSC的控制目标是一致的,因此ESC、RSC协调控制模块输出RSC控制模块输出的附加横摆四轮制动力Ffl、Ffr、Frl、Frr;
b3、若车辆发生横摆失稳且车辆处于不足转向情况,则ESC、RSC协调控制模块将ESC控制模块输出的附加制动力作用于内前轮与RSC控制模块输出的附加横摆四轮制动力进行叠加,输出总的四轮附加制动力Ffl、Ffr、Frl、Frr;
所述步骤八中的防抱死ABS协调控制具体为:
分析四个车轮,先建立单轮模型进行动力学分析:
mu′=‑Fx
Iω′=Fxgr0‑Tμ
其中,m为单轮质量,u为车辆速度,Fx为地面制动力,I为车轮转动惯量,ωi为四个车辆转速(i=fl,fr,rl,rr代表本车左前轮、右前轮、左后轮、右后轮),r0为车轮滚动半径,Tμ为车轮制动力矩;
假设当车轮处于最佳滑移率为λref时,地面制动力能提供最大制动力Fxmax,Fxmax=Fzgμ
其中,Fxmax为最大制动力,Fz为地面对车轮的法向作用力,μ附着系数;
通过对附着系数的实时估算,从而对当前本车行驶的路面所能产生的最大制动力进行估算,从而将ABS在当前路面的最大制动力的门限值进行实时改变;
当ESC、RSC输出的附加四轮制动力经过ESC、RSC协调控制模块输出期望四轮附加制动力分配到每个车轮时,该车轮的最大制动力不能超过此时最佳滑移率对应的制动力,若超过则车轮将发生抱死,需进行防抱死ABS协调控制;
(1)若ESC、RSC协调控制模块输出的制动信号为对单轮i1制动,则该轮上总制动力为Fi1_all=Fi1+Fi10;
其中,Fi1_all为单轮i1上的总制动力,Fi1为ESC、RSC协调控制模块输出的对单轮i1的附加制动力,Fi10为单轮i1的初始制动力;
a、若Fi1_all
b、若Fi1_all≥Fxmax,则该轮附加制动力输出为Fi1_e=Fxmax‑F0,其对应侧车轮i2增加驱动力FTe_i2=Fi1_all+(Fi1‑(Fxmax‑F0)),从而平衡原本ESC、RSC协调控制模块输出期望四轮附加制动力所形成的附加横摆力矩,此时防抱死ABS协调控制模块输出更改后的四轮附加制动力以及四轮附加驱动力;
其中,Fi1_e为经过防抱死ABS协调控制模块控制后的单轮i1的附加制动力,FTe_i2为车轮i2由防抱死ABS协调控制模块增加的附加驱动力;
(2)、若ESC、RSC协调控制模块输出的制动信号为单侧制动,则该侧每个车轮上制动力为Fi1_all=Fi1+Fi10;
a、若Fi1_all
b、若Fi1_all≥Fxmax,则该侧每轮附加制动力输出为Fi1_e=Fxmax‑F0,其对应侧车轮增加驱动力FTe_i2=Fi1_all+(Fi1‑(Fxmax‑F0)),从而平衡原本ESC、RSC协调控制模块输出期望四轮附加制动力所形成的附加横摆力矩,此时防抱死ABS协调控制模块输出更改后的四轮附加制动力以及四轮附加驱动力;
(3)若ESC、RSC协调控制模块输出的制动信号为双侧制动,则其附加制动车轮上每轮制动力为Fi1_all=Fi1+Fi10;
a、若Fi1_all
b、若Fi1_all≥Fxmax,则该轮附加制动力输出为Fi1_e=Fxmax‑F0,其内前轮车轮驱动力FTe_L=Fi1_all+(Fi1‑(Fxmax‑F0)),从而平衡原本ESC、RSC协调控制模块输出期望四轮附加制动力所形成的附加横摆力矩,此时防抱死ABS协调控制模块输出更改后的四轮附加制动力以及四轮附加驱动力;
其中,FTe_L为内前轮经防抱死ABS协调控制模块输出的附加驱动力。