朱忠倫

(安徽省交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，合肥 230051)

0 引言

隨著模糊智能控制技術(shù)的發(fā)展，采用模糊智能控制技術(shù)進(jìn)行混合動(dòng)力汽車的智能轉(zhuǎn)向控制，提高混合動(dòng)力汽車行駛的平穩(wěn)性和轉(zhuǎn)向的指向性，研究混合動(dòng)力汽車智能前驅(qū)轉(zhuǎn)向優(yōu)化控制的方法，在優(yōu)化混合動(dòng)力汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)和提高混合動(dòng)力汽車的安全性方面具有重要意義[1]。當(dāng)前，對(duì)混合動(dòng)力汽車前驅(qū)轉(zhuǎn)向的控制的方法主要有基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和自適應(yīng)控制方法，結(jié)合混合動(dòng)力汽車前驅(qū)轉(zhuǎn)向的非線性和強(qiáng)耦合特性進(jìn)行控制力學(xué)分析，提高轉(zhuǎn)向控制能力[2]，但上述方法在進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制時(shí)模糊度較大，指向性不好。對(duì)此，提出一種基于模糊邏輯的混合動(dòng)力汽車轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)。構(gòu)建混合動(dòng)力汽車轉(zhuǎn)向動(dòng)力學(xué)模型，采用模糊邏輯控制方法實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力汽車轉(zhuǎn)向控制律的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，通過實(shí)驗(yàn)分析得出了其有效性結(jié)論。

1 汽車轉(zhuǎn)向動(dòng)力學(xué)模型和被控對(duì)象描述

1.1 汽車轉(zhuǎn)向動(dòng)力學(xué)模型

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)混合動(dòng)力汽車前驅(qū)轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性控制，采用四輪聯(lián)合控制和傳感器信息融合跟蹤識(shí)別的方法[3]，進(jìn)行混合動(dòng)力汽車前驅(qū)轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)的調(diào)節(jié)，構(gòu)建混合動(dòng)力汽車轉(zhuǎn)向動(dòng)力學(xué)模型，采用兩輪平衡控制方法實(shí)現(xiàn)獨(dú)立轉(zhuǎn)向控制。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)混合動(dòng)力汽車的平衡控制，需要首先構(gòu)建混合動(dòng)力汽車的平衡控制數(shù)學(xué)模型，采用經(jīng)典力學(xué)方法，給定各構(gòu)件的初始運(yùn)動(dòng)條件及原動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律?；旌蟿?dòng)力汽車的運(yùn)動(dòng)空間分為速度坐標(biāo)系Ox3y3z3、柔性運(yùn)動(dòng)副坐標(biāo)系Ox1y1z1、輪動(dòng)坐標(biāo)系Ox2y2z2和地面坐標(biāo)系A(chǔ)xyz?；旌蟿?dòng)力汽車的前輪質(zhì)心為坐標(biāo)系原點(diǎn)O，欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系Ox3y3z3的原點(diǎn)O取在混合動(dòng)力汽車的質(zhì)心上，體坐標(biāo)系Ox1y1z1與混合動(dòng)力汽車的轉(zhuǎn)向輪具有耦合性，坐標(biāo)原點(diǎn)O取在混合動(dòng)力汽車的質(zhì)心上，構(gòu)建混合動(dòng)力汽車運(yùn)動(dòng)的質(zhì)心動(dòng)力學(xué)方程：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

其中：

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

sinβ=cosθ[cosγsin(ψ-ψV)+sin?sinγcos(ψ-ψV)]-sinθcos?sinγ，

(12)

sinα={cosθ[sin?cosγcos(ψ-ψV)-sinγsin(ψ-ψV)]-sinθcos?cosγ}/cosβ，

(13)

sinγV=(cosαsinβsin?-sinαsinβcosγcos?+cosβsinγcos?)/cosθ。

(14)

式中：m為混合動(dòng)力汽車的總質(zhì)量；P為車輪的慣性矩；θ為混合動(dòng)力汽車縱向運(yùn)動(dòng)傾角，它表示機(jī)構(gòu)的坐標(biāo)系在Ox2軸與地球坐標(biāo)系的夾角；α為柔性桿的欠驅(qū)動(dòng)擺角?；旌蟿?dòng)力汽車質(zhì)心的速度矢量(Ox3軸)在混合動(dòng)力汽車縱向?qū)ΨQ面Ox1y1上的正交空間與Ox1軸具有擾動(dòng)性，首先求得各構(gòu)件與x軸正方向的夾角，然后對(duì)位置方程對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，用X，Y，Z表示混合動(dòng)力汽車在平衡地面運(yùn)行的阻力、側(cè)向力和摩擦力。Mx、My、Mz分別為橫滾力矩、側(cè)向力矩和原動(dòng)件驅(qū)動(dòng)力矩；Jx、Jy、Jz分別為汽車輪動(dòng)體系回旋轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；x、y、z為混合動(dòng)力汽車質(zhì)心位置；混合動(dòng)力汽車的縱軸(Ox1軸)與水平面(Oxy平面)間的夾角能有效調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向角，通過上述混合動(dòng)力汽車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建，得到了混合動(dòng)力汽車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)方程，采用拉格朗日法則建立機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行平衡控制。

1.2 被控對(duì)象描述

采用阻尼參數(shù)及負(fù)載的聯(lián)合驅(qū)動(dòng)方法，對(duì)混合動(dòng)力汽車前驅(qū)轉(zhuǎn)向的運(yùn)動(dòng)空間進(jìn)行聯(lián)合控制[4]，假設(shè)混合動(dòng)力汽車運(yùn)動(dòng)在平面上，混合動(dòng)力汽車運(yùn)動(dòng)的輪動(dòng)自平衡約束條件描述為：

XRL=R×θRL，

(15)

XRR=R×θRR，

(16)

XRL-XRR=D×δ，

(17)

XP=XRM+LsinθP，

(18)

(19)

YP=LcosθP，

(20)

(21)

XRR+XRL=2XRM。

(22)

式中：R為車輪半徑；L為混合動(dòng)力汽車的軌跡偏差；D為兩輪軸線間的距離；Km，Ke為電動(dòng)勢(shì)系數(shù)；MP，MR表示質(zhì)量；JR=JRL=JRR、JPθ、JPδ，在笛卡兒空間內(nèi)，采用嚴(yán)格反饋控制方法進(jìn)行混合動(dòng)力汽車前驅(qū)轉(zhuǎn)向的末端位姿記憶性控制[5]，利用比例—積分控制器進(jìn)行混合動(dòng)力汽車前驅(qū)轉(zhuǎn)向的多模式驅(qū)動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性調(diào)節(jié)，系統(tǒng)的狀態(tài)方程描述如下：

(23)

式中：y∈Rm為混合動(dòng)力汽車裝箱周期運(yùn)動(dòng)輸出矢量；f∈Rm為動(dòng)能和勢(shì)能的廣義坐標(biāo)；u∈Rm，b∈Rm，滿足rank(b)=m；Δf和d(t)分別為各桿件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，干擾項(xiàng)，滿足：

|Δf(X，t)|≤F(X，t)，|d(t)|≤D(t)。

(24)

(25)

V=MPgLcosθP。

(26)

移動(dòng)副的彈性勢(shì)能為：

(27)

2 控制律優(yōu)化設(shè)計(jì)

考慮柔性因素，采用驅(qū)動(dòng)力機(jī)構(gòu)組件控制方法進(jìn)行混合動(dòng)力汽車轉(zhuǎn)向的指向性控制設(shè)計(jì)，建立混合動(dòng)力汽車轉(zhuǎn)向控制的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)模型[6]，在混合動(dòng)力汽車自平衡狀態(tài)下，設(shè)混合動(dòng)力汽車前驅(qū)轉(zhuǎn)向的運(yùn)動(dòng)圓周軌跡Q為Rm處的任意q點(diǎn)的集合，表示為控制曲率矢量d1，d2，…，dq，找到一個(gè)適合的控制規(guī)則，使得混合動(dòng)力汽車轉(zhuǎn)向控制滿足收斂條件，引入一個(gè)滑膜積分項(xiàng)，計(jì)算得混合動(dòng)力汽車前驅(qū)轉(zhuǎn)向的最優(yōu)連桿長(zhǎng)度參數(shù)和阻力參數(shù)[7]，輸出為：

(28)

計(jì)算得到系統(tǒng)動(dòng)能與繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)的系統(tǒng)動(dòng)能的總和，原點(diǎn)A到彈簧固定點(diǎn)E的動(dòng)能為：

(29)

式中K為正整數(shù)，表示混合動(dòng)力汽車轉(zhuǎn)向的恢復(fù)力矩和阻尼力矩的誤差比值，對(duì)式(29)求積分，得到：

(30)

(31)

對(duì)產(chǎn)生的彈性反力進(jìn)行模糊邏輯控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)混合動(dòng)力汽車的自適應(yīng)自平衡控制，且對(duì)不確定性干擾參數(shù)采用模糊邏輯控制方法進(jìn)行穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)[8]，得到原動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律：

(32)

(33)

3 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

在嵌入式的DSP環(huán)境下進(jìn)行控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，基于ADSP21160基線控制協(xié)議進(jìn)行混合動(dòng)力汽車轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，首先進(jìn)行系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)構(gòu)架分析，在總線控制協(xié)議下進(jìn)行混合動(dòng)力汽車轉(zhuǎn)向控制的程序加載和交叉編譯設(shè)計(jì)，通過對(duì)混合動(dòng)力汽車轉(zhuǎn)向控制信息的采集和指向性的調(diào)度，進(jìn)行AD控制和倍頻處理，混合動(dòng)力汽車轉(zhuǎn)向控制的主控系統(tǒng)采用ADI公司的ADSP21160處理器系統(tǒng)，最低采樣率為24 MHz，系統(tǒng)包括PCI總線控制模塊、基線恢復(fù)模塊、程序加載模塊和交叉編譯模塊等，系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)構(gòu)架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)構(gòu)架

采用MAC層交互協(xié)議設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行PCI總線控制，通過工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)級(jí)的六線同步串口實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力汽車轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的PCI總線設(shè)計(jì)和信息調(diào)度，選用VCA810作為內(nèi)部晶振，通過VME總線發(fā)送控制指令到上位機(jī)中，采用PXI觸發(fā)總線進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制指令的時(shí)鐘采樣和集成控制，提高混合動(dòng)力汽車轉(zhuǎn)向控制的邏輯性，綜上分析，得到系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

在Visual DSP++環(huán)境中進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試和仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)合Matlab 7編程進(jìn)行控制算法設(shè)計(jì)，采用2個(gè)并行輸入/輸出控制接口進(jìn)行混合動(dòng)力汽車轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的基線恢復(fù)器輸出接口設(shè)計(jì)，在存儲(chǔ)器中采用DMA控制器進(jìn)行電路的控制模擬，混合動(dòng)力汽車轉(zhuǎn)向控制模式設(shè)定為SPI和PSI兩種工況模式，混合動(dòng)力汽車前驅(qū)轉(zhuǎn)向的位置參數(shù)采集的時(shí)間間隔為0.48 s，轉(zhuǎn)動(dòng)輪的質(zhì)量為Mp=1.6×104kg，機(jī)構(gòu)原動(dòng)件的角加速為24 rim/s，慣性力矩為mr=1.13×104kg，根據(jù)上述參數(shù)設(shè)定，進(jìn)行混合動(dòng)力汽車轉(zhuǎn)向控制設(shè)計(jì)，得到轉(zhuǎn)向控制的x方向以及有方向的指向性估計(jì)誤差如圖3所示。

(a)y方向

(b)x方向圖3 轉(zhuǎn)向估計(jì)誤差

分析圖3得知，該方法進(jìn)行汽車轉(zhuǎn)向控制的誤差較小，測(cè)試汽車轉(zhuǎn)向的估計(jì)和真實(shí)的跟蹤性能曲線，得到結(jié)果如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)向軌跡跟蹤性能分析

分析圖4結(jié)果得知，該系統(tǒng)能有效實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力的汽車轉(zhuǎn)向控制，控制的穩(wěn)定性較高，轉(zhuǎn)向指向性明顯，軌跡跟蹤性能較好。

5 結(jié)語(yǔ)

研究混合動(dòng)力汽車智能前驅(qū)轉(zhuǎn)向優(yōu)化控制方法，優(yōu)化混合動(dòng)力汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高混合動(dòng)力汽車的安全性。提出一種基于模糊邏輯的混合動(dòng)力汽車轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)。采用四輪聯(lián)合控制和傳感器信息融合跟蹤識(shí)別方法，進(jìn)行混合動(dòng)力汽車前驅(qū)轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)調(diào)節(jié)，利用嚴(yán)格反饋控制方法進(jìn)行混合動(dòng)力汽車前驅(qū)轉(zhuǎn)向的末端位姿記憶性控制，利用比例—積分控制器進(jìn)行混合動(dòng)力汽車前驅(qū)轉(zhuǎn)向的多模式驅(qū)動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性調(diào)節(jié)，采用模糊邏輯控制方法實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力汽車轉(zhuǎn)向控制律優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。研究得知，設(shè)計(jì)系統(tǒng)能有效實(shí)現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向控制，控制精度較高。