技术领域
[0001] 本
发明属于
汽车工程的技术领域，具体的说，是一种改善车道跟踪与操控稳定性能的设计方法。
背景技术
[0002] 车辆车道跟踪性能与操控稳定性一直是车辆驾驶辅助和主动安全性研究的热点。
[0003] 就
电动车而言，四轮独立驱动系统可以有效提升车辆的操控稳定性，但无法抑制车辆
加速、
制动时的前俯后仰以及转向时的
车身侧倾。车身前俯后仰或侧倾会使车辆质心相对于轮胎移动，从而增大
车轮垂向
载荷的变化幅度，降低车辆操控稳定性，尤其是车辆侧倾，将会使轮胎
定位发生改变，影响操控稳定性。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于，提供一种改善车道跟踪与操控稳定性能的设计方法，以克服
现有技术所存在的上述缺点和不足。
[0005] 本发明的主要技术背景为四轮独立驱动系统及主动
悬架系统。本发明对四轮独立驱动系统与主动悬架系统进行统一控制，使两系统协同工作。
[0006] 1、车辆加速时，轴荷后移，四轮独立驱动系统向后轮输送较大转矩，向前轮输送较小转矩，从而抑制前轮滑转，提升
能量的利用率。同时，主动悬架系统降低前悬架高度，升高后悬架高度，抑制车身后仰。
[0007] 2、车辆减速或制动时，四轮独立驱动系统向前轮提供更大的阻
力，向后轮提供较小的阻力，优化
制动力分配，防止因后轮制动力分配过多而导致后轮侧滑现象发生。同时，主动悬架系统通过悬架
刚度的调节，升高前悬架高度，降低后悬架高度，抑制车身前俯。
[0008] 3、车辆转向时，四轮独立驱动系统对内外侧车轮进行主动差速干预，即增加外侧车轮转速，降低内侧车轮转速，产生主动横摆力矩，使车辆处于可控的轻微过度转向状态，在极限条件下依然能够较为稳定的按照驾驶员预想的路线行驶。同时，主动悬架系统降低内侧悬架高度，升高外侧悬架高度，抑制车身侧倾，使车身保持
水平，从而减小四轮定位由于侧倾而改变的幅度，配合四轮独立驱动系统保证车辆具有良好的转向特性。
[0009] 本发明所需要解决的技术问题，可以通过以下技术方案来实现：
[0010] 一种改善车道跟踪与操控稳定性能的设计方法，其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：
[0011] 步骤S10、根据驾驶员给出转向以及
油门踏板角度输入，结合
传感器检测出车身侧倾或
俯仰角度以及质心相对于车轮移动的距离；
[0012] 步骤S20、车辆工况信息输入到PID
控制器，通过相应的PID控制
算法得到悬架高度的主动调节幅度以及各车轮驱动
电机的动力分配比例；
[0013] 步骤S30、车辆接受反馈控制后，车辆轮胎的垂向载荷进行重新分配，同时
四轮驱动力根据轮胎的垂向载荷重新分配，转向时可产生一个校正横摆力矩来抑制车辆的不足转向或过度转向且抑制车身侧倾，加速、制动时抑制车辆后仰、前俯及车轮滑转。
[0014] 进一步，本发明的一种改善车道跟踪与操控稳定性能的设计方法还可以具有这样的特征：
[0015] 所述步骤S10中，车辆在不同工况下质心移动计算：
[0016] 加速时，
惯性力作用于车辆质心，产生翻转力矩，使车辆产生“后仰”现象，由于模型车整车布局趋于对称，故假设车辆质心
质量m距离前后桥水平距离相等，均为L，质心高为H，悬架
弹簧弹性系数为K，地面对前轮的支持力F1，地面对后轮的支持力F2。
[0017] ①加速时，纵向加速度为aa,车身后仰角度为θ，
[0018] 由此可知，当车辆加速行驶时，前后悬架高度差为
[0019]
[0020] 且前悬架高于后悬架，前后桥垂向载荷差为
[0021]
[0022] 且前桥垂向载荷小于后桥。
[0023] ②制动时，车辆前俯，其数学模型与加速时方向相反，
[0024] 当车辆以加速度ab制动时，前后悬架高度差为
[0025]
[0026] 且前悬架低于后悬架，前后桥垂向载荷差为
[0027]
[0028] 且前桥垂向载荷大于后桥。
[0029] ③车辆转向时，惯性力作用于车辆质心，产生
横滚力矩，使车辆产生侧倾现象。假设车辆质心m，高为H，车宽W,悬架弹簧弹性系数为K，地面对外侧轮的支持力Fo，地面对内侧轮的支持力Fi，侧向加速度as，侧倾角度γ，
[0030] 当车辆以侧向加速度as转向时，内外侧悬架高度差为
[0031]
[0032] 且外侧悬架高于内侧悬架，内外车轮垂向载荷差为
[0033]
[0034] 且内侧车轮垂向载荷小于外侧车轮。
[0035] 进一步，本发明的一种改善车道跟踪与操控稳定性能的设计方法还可以具有这样的特征：所述步骤S20中，悬架高度调节控制算法：
[0036] 当车身纵向加速度为aa时，应控制前悬架升高
[0037]
[0038] 后悬架降低
[0039]
[0040] 当车身侧向加速度为as时，应控制内侧悬架降低
[0041]
[0042] 外侧悬架升高
[0043]
[0044] m为车辆质心质量，H为高，W为车宽，K为悬架弹簧弹性系数，L为车辆质心质量m距离前后桥水平距离。
[0045] 进一步，本发明的一种改善车道跟踪与操控稳定性能的设计方法还可以具有这样的特征：步骤S20中，四轮纵向力分配：
[0046] 车辆转向时，由于
轮距与
轴距的存在，导致四个车轮走过的路径长度不同，因而会有速度差，当车辆外侧前轮转角为α时，假设四轮转速分别为：ω1、ω2、ω3、ω4，其比为：
[0047]
[0048] W为车宽，L为车辆质心质量m距离前后桥水平距离，ω1为右前轮转速，ω2为左前轮转速，ω3为右后轮转速，ω4为左后轮转速。
[0049] 进一步，本发明的一种改善车道跟踪与操控稳定性能的设计方法还可以具有这样的特征：步骤S20中，
电动机控制算法：
[0050] 当车辆纵向加速度为aa时，前后轮
扭矩分配比为：
[0051]
[0052] 当车辆侧向加速度为as时，内外侧车轮扭矩分配为：
[0053]
[0054] 四车轮转速比例为：
[0055]
[0056] 其中，g为
重力加速度，L为车辆质心质量m距离前后桥水平距离，W为车宽，Ti为内侧车轮扭矩，To为外侧车轮扭矩，α为外侧前轮转角，四轮转矩分别为T1、T2、T3、T4。
[0057] 本发明的有益效果：
[0058] 本发明将四轮独立驱动系统与主动悬架系统相结合，进行集成控制，从而大幅度改善电动车的操控稳定性及车道跟踪性能。
附图说明
[0059] 图1为车辆模型车底盘子系统结构。
[0060] 图2为车辆模型。
[0061] 图3为车辆加速时后仰。
[0062] 图4为车辆制动时前俯。
[0063] 图5a为车辆转向时侧倾。
[0064] 图5b为车辆模型转向时侧倾。
具体实施方式
[0067] 以下结合具体
实施例，对本发明作进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限定本发明的范围。
[0068] 下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或厂商提供的条件进行。
[0069] 实施例1
[0070] 一种改善车道跟踪与操控稳定性能的设计方法，控制方法包括如下步骤：
[0071] 步骤S10、根据驾驶员给出转向以及油门踏板角度输入，结合传感器检测出车身侧倾或俯仰角度以及质心相对于车轮移动的距离；
[0072] 步骤S20、车辆工况信息输入到PID控制器，通过相应的PID控制算法得到悬架高度的主动调节幅度以及各车轮
驱动电机的动力分配比例；
[0073] 步骤S30、车辆接受反馈控制后，车辆轮胎的垂向载荷进行重新分配，同时四轮驱动力根据轮胎的垂向载荷重新分配，转向时可产生一个校正横摆力矩来抑制车辆的不足转向或过度转向且抑制车身侧倾，加速、制动时抑制车辆后仰、前俯及车轮滑转，车辆的转向稳定性、加速、制动性能以及能量利用率得到提高。
[0074] 图1为车辆模型车底盘子系统结构。本实施例中以车辆模型来代替车辆，亦可称为模型车，简称为车辆。本发明根据上述机理设计一台电动的车辆模型车底盘，配备四轮独立驱动系统及主动悬架高度调节系统。其中，四轮独立驱动系统负责动力分配控制，主动悬架系统进行车身平衡控制。模型车配有四个540直流减速电机通过
联轴器、减速箱、万向
传动轴，分别为四个车轮提供动力，
单片机(即PID控制器)通过发送占空比
信号控制电动机控
制模块，从而控制电动机驱动车轮转动。模型车采用不等长双横臂悬架系统，
减振器下端固定于下横臂上，减振器上端固定于力发生器上。单片机根据模型车的工况对四轮独立驱动系统以及四轮悬架高度进行控制。
[0075] (1)车辆在不同工况下质心移动计算
[0076] 加速时，惯性力作用于车辆质心，产生翻转力矩，使车辆产生“后仰”现象。由于模型车整车布局趋于对称，故假设车辆质心质量m距离前后桥水平距离相等，均为L，质心高为H，悬架弹簧弹性系数为K，地面对前轮的支持力F1，地面对后轮的支持力F2。图2为车辆模型。
[0077] 加速时，纵向加速度为aa，车身后仰角度为θ。图3为车辆加速时后仰。
[0078] 由垂向力平衡可得：
[0079] mg＝F1+F2
[0080] 加速时质心后移距离：
[0081] ΔL＝Htanθ
[0082] 由x轴转矩平衡可得：
[0083] maa cosθ＝F2(L-ΔL)-F1(L+ΔL)
[0084] 前后悬架高度差：
[0085] ΔH＝2Lsinθ
[0086] 前后轮垂向载荷差：
[0087] ΔF＝KΔH
[0088] 故有：
[0089]
[0090]
[0091]
[0092] 由此可知，当车辆加速行驶时，前后悬架高度差为
[0093]
[0094] 且前悬架高于后悬架，前后桥垂向载荷差为
[0095]
[0096] 且前桥垂向载荷小于后桥。
[0097] 制动时，车辆前俯，其数学模型与加速时方向相反。图4为车辆制动时前俯。当车辆以加速度ab制动时，前后悬架高度差为
[0098]
[0099] 且前悬架低于后悬架，前后桥垂向载荷差为
[0100]
[0101] 且前桥垂向载荷大于后桥。
[0102] 车辆转向时，惯性力作用于车辆质心，产生横滚力矩，使车辆产生侧倾现象。假设车宽W，地面对外侧轮的支持力Fo，地面对内侧轮的支持力Fi，侧向加速度as，侧倾角度γ。图5a为车辆转向时侧倾、图5b为车辆模型转向时侧倾。
[0103] 由垂向力平衡可得：
[0104] mg＝Fi+Fo
[0105] 转向时质心侧移距离：
[0106] ΔW＝Htanγ
[0107] 由y轴转矩平衡可得：
[0108]
[0109] 内外侧车轮垂向载荷差：
[0110] ΔF＝KΔH
[0111] 内外侧悬架高度差：
[0112] ΔH＝Wsinγ
[0113] 故有：
[0114]
[0115]
[0116]
[0117] 由此可知，当车辆以侧向加速度as转向时，内外侧悬架高度差为
[0118]
[0119] 且外侧悬架高于内侧悬架，内外车轮垂向载荷差为
[0120]
[0121] 且内侧车轮垂向载荷小于外侧车轮。
[0122] (2)悬架高度调节控制算法
[0123] 由上可知，当车身纵向加速度为aa时，应控制前悬架升高
[0124]
[0125] 后悬架降低
[0126]
[0127] 当车身侧向加速度为as时，应控制内侧悬架降低
[0128]
[0129] 外侧悬架升高
[0130]
[0131] (3)四轮纵向力分配
[0132] 当车辆纵向加速度为aa时，车辆前后轮垂向载荷差为
[0133]
[0134] 前后轮垂向载荷之比为：
[0135]
[0136] 故前后轮扭矩分配比为：
[0137]
[0138] 则车辆转向时内外侧车轮垂向载荷之差
[0139]
[0140] 内外侧车轮垂向载荷之比为：
[0141]
[0142] 故内外侧车轮扭矩分配比为：
[0143]
[0144] 车辆转向时，由于轮距与轴距的存在，导致四个车轮走过的路径长度不同，因而会有速度差。图6为车辆转向时各车轮的转弯半径。
[0145] 由平面几何计算可得出：
[0146]
[0147] 故当车辆外侧前轮转角为α时，四轮转速比为：
[0148]
[0149] (4)电动机控制算法
[0150] 当车辆纵向加速度为aa时，前后轮扭矩分配比为：
[0151]
[0152] 当车辆侧向加速度为as时，内外侧车轮扭矩分配为：
[0153]
[0154] 四车轮转速比例为：
[0155]
[0156] 实施例2
[0157] 算法的电动模型车整车测试
[0158] 本发明对根据上述设计而制作的模型车进行了一系列的测试，从而验证其效果。测试采用控制变量法，由
电路板上的两个拨码
开关来选择单片机是否对车身平衡或者四轮动力分配进行控制。
[0159] 图7为车辆模型的控制流程图，整车算法控制流程如图7所示。其中，电机独立驱动算法负责四轮独立驱动的动力分配控制；
舵机独立驱动算法负责通过主动悬架对车身进行平衡控制。
[0160] (1)加速性能测试
[0161] 控制模型车由静止开始加速行驶，行驶8M距离，计时。分别在粗糙路面和光滑路面测试四组，依次为：关闭车身平衡控制同时关闭四轮动力分配、关闭车身平衡控制同时开启四轮动力分配、开启车身平衡控制同时关闭四轮动力分配、开启车身平衡控制同时开启四轮动力分配。每组测试3次，取平均值(参见表1，表2)。
[0162] 表1平均附着系数 时 模型车加速性能测试
[0163]平衡控制 否 是 否 是
动力分配 否 否 是 是
测试1(s) 3.3 3.2 3.2 3.0
测试2(s) 3.3 3.3 3.1 3.1
测试3(s) 3.4 3.1 3.1 3.0
加速时间平均值(s) 3.33 3.20 3.13 3.03
[0164] 表2平均附着系数 时 模型车加速性能测试
[0165]平衡控制 否 是 否 是
动力分配 否 否 是 是
测试1(s) 4.4 4.2 4.1 3.8
测试2(s) 4.2 4.2 4.0 3.8
测试3(s) 4.3 4.0 4.0 3.8
加速时间平均值(s) 4.20 4.13 4.03 3.80
[0166] (2)制动性能测试
[0167] 控制模型车由静止开始加速行驶至极速，经测试，其极速为2.2m/s。车速稳定后，全力制动，测量其
制动距离。分别在粗糙路面和光滑路面测试四组，依次为：关闭车身平衡控制同时关闭四轮动力分配、关闭车身平衡控制同时开启四轮动力分配、开启车身平衡控制同时关闭四轮动力分配、开启车身平衡控制同时开启四轮动力分配。每组测试3次，取平均值(参见表3，表4)。
[0168] 表3平均附着系数 时 模型车制动性能测试
[0169]平衡控制 否 是 否 是
动力分配 否 否 是 是
测试1(m) 0.91 0.89 0.65 0.58
测试2(m) 0.89 0.88 0.67 0.58
测试3(m) 0.90 0.89 0.67 0.58
制动距离平均值(m) 0.900 0.887 0.663 0.580
[0170] 表4平均附着系数 时 模型车制动性能测试
[0171]
[0172]
[0173] (3)转向特性测试
[0174] 模型车转向特性调校为轻微
转向不足，与实际车辆调校类似。测试时将转向轮方向打满，车速由最低稳定车速逐渐升高，测量其最低稳定车速时的转弯半径与最高车速时的转弯半径。分别在粗糙路面和光滑路面测试四组，依次为：关闭车身平衡控制同时关闭四轮动力分配、关闭车身平衡控制同时开启四轮动力分配、开启车身平衡控制同时关闭四轮动力分配、开启车身平衡控制同时开启四轮动力分配。每组测试3次，取平均值(参见表5，表6)。
[0175] 表5平均附着系数 时 模型车转向特性测试
[0176]
[0177] 表6平均附着系数 时 模型车转向特性测试
[0178]
[0179] (4)绕桩测试
[0180] 控制车模进行绕桩测试。分别在粗糙路面和光滑路面测试四组，依次为：关闭车身平衡控制同时关闭四轮动力分配、关闭车身平衡控制同时开启四轮动力分配、开启车身平衡控制同时关闭四轮动力分配、开启车身平衡控制同时开启四轮动力分配。每组测试3圈计时(参见表7，表8)。
[0181] 表7平均附着系数 时 模型车绕桩测试
[0182]平衡控制 否 是 否 是
动力分配 否 否 是 是
3圈时间(s) 35.4 31.9 29.5 27.8
[0183] 表8平均附着系数 时 模型车绕桩测试
[0184]平衡控制 否 是 否 是
动力分配 否 否 是 是
3圈时间(s) 53.2 45.8 32.3 25.7
[0185] (5)测试结果总结
[0186] 在测试中，分别进行了高速转向车身
姿态测试和绕桩测试，并通过调节拨码开关来选择是否开启平衡控制或动力分配功能。
[0187] 经过测试，根据其操控性及测试数据，可得出以下结论：
[0188] A.平衡控制关闭，动力分配关闭：
[0189] 在此状态下，该模型车不具备任何主动控制功能，相当于一辆笨重的电动四驱遥控模型车。加速时，车身后仰角极大，前轮打滑空转，加速较慢；制动时，后轮
锁死，制动稳定性不佳，制动距离较长；圆周行驶时，随着车速增加，转向半径逐渐增大，具有较明显的转向不足特性；绕桩测试时，模型车对转向的响应迟钝，难以掌握最佳切入弯角的时机。在低附着系数路面条件下，上述情况尤为明显。
[0190] B.平衡控制开启，动力分配关闭：
[0191] 在此状态下，该模型车仅具备平衡功能。加速时，车身后仰角基本为零，前轮打滑空转，加速较慢；制动时，后轮锁死，制动稳定性不佳，制动距离较长，但前俯角基本为零；圆周行驶时，随着车速增加，转向半径逐渐增大，具有轻微的转向不足特性；绕桩测试时，模型车对转向的响应较为迅速，较容易掌握最佳切入弯角的时机。在低附着系数路面条件下，操控性提升较小。
[0192] C.平衡控制关闭，动力分配开启：
[0193] 在此状态下，该模型车仅具备四轮独立驱动功能。加速时，车身后仰，但四轮均紧抓地面，加速较快；制动时，车身前俯，但四轮依然紧抓地面，均无锁死现象，制动稳定性极佳；圆周行驶时，随车速增加，转向半径变化不大，趋于中性转向，且极其稳定；绕桩测试时，模型车响应迅速，动作到位，容易掌握最佳切入弯角的时机。在地附着系数路面条件下，其转向特性趋向于过度转向，但极其稳定，非常容易进入轻微的四轮漂移状态，漂移状态的操控性较为稳定，操控性提升较大。
[0194] D.平衡控制开启，动力分配开启：
[0195] 在此状态下，该模型车同时具备平衡控制功能与四轮独立驱动功能。加速时，车身无后仰，四轮均紧抓地面，加速极快；制动时，车身无前俯，四轮依然紧抓地面，均无锁死现象，制动稳定性极佳；圆周行驶时，随车速增加，转向半径变略微减小，趋于轻微过度转向，但极其稳定，极易操控；绕桩测试时，模型车响应敏捷，动作到位，极易掌握最佳切入弯角的时机，绕桩动作优雅流畅。在地附着系数路面条件下，其转向特性趋向于轻微过度转向，但极其稳定，极其容易进入轻微的四轮漂移状态，漂移状态的操控性较为稳定，在绕桩测试中表现尤为明显，几乎所有弯角均高速四轮漂移通过，操控性提升极大。
[0196] 以上对本发明的具体实施方式进行了说明，但本发明并不以此为限，只要不脱离本发明的宗旨，本发明还可以有各种变化。
