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申请/专利权人：吉林大学;长春工业大学

摘要：基于状态观测的四轮独立转向电动汽车转向控制方法涉及汽车四轮独立转向系统控制领域，该方法利用八自由度四输入车辆动力学理想模型确定四个车轮理想的横摆角速度，利用八自由度四输入车辆动力学模型确定四个车轮实时的横摆角速度和质心侧偏角，利用基于多智能体的理想状态分布式估计模块确定四个车轮理想的横摆角速度和质心侧偏角估计值，利用基于状态观测器的四轮独立转向汽车转向分布式控制模块求解出汽车的四个车轮转角，利用CarSim汽车模型实现汽车的横摆稳定性控制，并输出汽车的实时运动状态信息。本发明有效权衡了计算效率和车辆稳定性能，提高了部分理想状态未知情况下四轮独立转向车辆转向控制的稳定性。

主权项：1.基于状态观测的四轮独立转向电动汽车转向控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤一、根据CarSim汽车模型输出的汽车的实时运动状态信息，利用八自由度四输入车辆动力学模型获得四个车轮的实时横摆角速度和实时质心侧偏角；步骤一所述八自由度四输入车辆动力学模型的建立过程如下：假设车辆纵向速度和横向速度基本相同，轮胎侧滑特性在线性范围内，忽略侧倾、俯仰和垂直运动后只考虑车辆的横向、纵向和偏航运动，忽略侧倾和悬架的动力学特性，根据牛顿定律，线性二自由度车辆动力学方程描述为: 式中，γ、β分别为四个车轮侧向力共同作用时，在整车质心处产生的横摆角速度和质心侧偏角；lf、lr分别为前后轴到质心的距离；vx为实时纵向速度，m为整车质量；Fyii＝1,2,3,4为第i个车轮侧向力，Iz整车绕车辆坐标系z轴的转动惯量；令γi、βi分别为第i个车轮侧向力单独作用时，在整车质心处产生的横摆角速度和质心侧偏角，满足γ＝γ1+γ2+γ3+γ4，β＝β1+β2+β3+β4；令η1＝lf，η2＝lf，η3＝-lr，η4＝-lr；因此，可将线性二自由度汽车动力学方程1改写为如下形式： 当侧偏角较小时，根据UniTire轮胎模型，第i个车轮侧向力表示为：Fyi＝kiαi3式中，kii＝1,2,3,4为第i个车轮轮胎的等效侧偏刚度，αii＝1,2,3,4为第i个车轮的侧偏角；根据平面运动学中的几何关系，车辆运动过程中的侧偏角αii＝1,2,3,4为: 式中，wii＝1,2,3,4为其他转向子系统对本系统的影响，δii＝1,2,3,4为第i个车轮转向角；w1＝-β2+β3+β4-lfγ2+γ3+γ4vxw2＝-β1+β3+β4-lfγ1+γ3+γ4vxw3＝-β2+β1+β4+lrγ2+γ1+γ4vxw4＝-β2+β3+β1+lrγ2+γ3+γ1vx假设式4中的β、γ已知，则将各个车轮的侧偏角4带入式3中，可求得四个车轮侧向力，然后将其带入线性二自由度汽车动力学方程2，积分后可求得第i个车轮侧向力单独作用下，在整车质心处产生的横摆角速度γi和质心侧偏角βi； 将式3重写为如下形式：αi＝δi-βi-ηiγivx+wi,i＝1,2,3,46将式6带入式3中，可得：Fyi＝kiδi-kiβi-kiηiγivx+kiwi7根据式2、7，可得单个车轮转向系统的状态方程： 因此，通过矢量变换，建立了以四轮转角为输入，以四个车轮力单独作用在质心处产生的质心侧偏角和横摆角速度为输出的八自由度四输入车辆模型8；步骤二、根据驾驶员给出的方向盘转角及CarSim汽车模型输出的汽车实时纵向速度，通过八自由度四输入车辆动力学理想模型确定四个车轮侧向力单独作用时在质心处产生的理想横摆角速度；步骤二所述的八自由度四输入车辆动力学理想模型建立的过程如下：以前轮转向车辆二自由度动力学模型为基础，对车辆输入转角，稳态响应后，方向盘转角和理想横摆角速度转化为一阶惯性环节： 式中，γ*为理想的横摆角速度，单位是rads；δf为方向盘的转角，单位是rad；Gr为稳定性因素，单位是s2m2，Tr为横摆角速度的缓冲常数，单位是s；kf、kr分别为前轮以及后轮的侧偏刚度，单位是Nrad；L为轴距，L＝lf+lr；四轮独立转向电动汽车第i个车轮理想的侧向力为：Fyi*＝kiδi*-kiβ*-kiηiγ*vx10式中，δi*根据阿克曼定理求得，β*为理想的质心侧偏角；根据式2、10建立理想的八自由度车辆动力学方程 式中：w1*＝-β2*+β3*+β4*-lfγ2*+γ3*+γ4*vxw2*＝-β1*+β3*+β4*-lfγ1*+γ3*+γ4*vxw3*＝-β2*+β1*+β4*+lrγ2*+γ1*+γ4*vxw4*＝-β2*+β3*+β1*+lrγ2*+γ3*+γ1*vx采用零质心侧偏角控制有因此可得 根据式8、11以及β*＝0，求得第i个车轮侧向力在质心处产生的理想横摆角速度为： 步骤三、根据步骤二获得的四个车轮理想横摆角速度，利用基于多智能体的理想状态分布式估计模块，获得四个车轮侧向力单独作用时在质心处产生的理想横摆角速度估计值和理想质心侧偏角估计值；步骤三所述基于多智能体的理想状态分布式估计模块实现过程如下：令Gi＝Bi，基于多智能体的理想状态观测器设计为如下形式： 式中，分别为理想横摆角速度γi*和理想质心侧偏角βi*的估计值，Vβi、Vri为第i个转向智能体理想状态观测器的控制策略；令则观测误差方程为： 利用已知的理想横摆角速度γi*13，提出观测器14的控制策略如下： 式中，α1i,α2i＞0和m＞0为设计参数；步骤四、根据步骤一获得的四个车轮实时横摆角速度和实时质心侧偏角、步骤三获得的理想横摆角速度估计值和理想质心侧偏角估计值，以及汽车的实时运动状态信息，利用基于状态观测器的四轮独立转向汽车转向分布式控制模块求解出汽车的四个车轮转角；步骤四所述基于状态观测器的四轮独立转向汽车转向分布式控制模块实现过程如下：定义Δγi＝γi-γi*、Δβi＝βi-βi*，Δδi＝δi-δi*，Δwi＝wi-wi*，根据式8、式11，可得第i个车轮转向系统横摆角速度、质心侧偏角与理想值的偏差方程为： 由四轮独立转向汽车的硬件连接结构和内部工作通讯，将每个车轮转向系统横摆角速度、质心侧偏角与期望值的偏差方程17看作一个独立的转向智能体；在步骤三所述基于多智能体的理想状态观测器14及其控制策略16作用下，获得单个车轮力单独作用时在质心处产生的理想横摆角速度和理想质心侧偏角；然后针对偏差方程17提出基于部分理想状态观测的四轮独立转向汽车转向分布式控制策略18，通过控制器的模型降维实现整车实际横摆角速度和质心侧偏角对其理想值的快速跟随，有效提高车辆的转向稳定性； 式中，τβi和τγi为控制器设计参数，满足： 其中，Ri为控制器可设计的正定矩阵；步骤五、根据步骤四获得的四个车轮转角，利用CarSim汽车模型实现四轮独立转向电动汽车转向的稳定性控制，并输出汽车的实时运动状态信息，包括实时纵向速度、实时横摆角速度、实时质心侧偏角和实时路面附着系数。

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