王其松, 羅春雷, 唐云祥 , 靖 文 , 李愛花

(1.鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車與交通學(xué)院,江蘇 鹽城 224005,E-mail: ronglutuan764@163.com 2.中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,長沙 410083;3.南京鋼鐵集團(tuán)有限公司,南京 210035)

為了達(dá)到自動(dòng)駕駛目標(biāo),需要設(shè)計(jì)合適的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng),當(dāng)傳統(tǒng)汽車發(fā)生轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的失效問題時(shí),汽車只能進(jìn)入減速狀態(tài)并最終完成停車,不能對軌跡進(jìn)行精確跟蹤,甚至還會(huì)造成交通事故[1-3]。由此可見,如何調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障容錯(cuò)能力已經(jīng)成為一項(xiàng)關(guān)鍵措施。在分布結(jié)構(gòu)電驅(qū)動(dòng)汽車系統(tǒng)中可以設(shè)置多個(gè)電機(jī)形成橫擺力作用再對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)橫向偏差進(jìn)行補(bǔ)償,由此確保轉(zhuǎn)向系統(tǒng)失效的情況下也可以保持設(shè)定軌跡路線行使,實(shí)現(xiàn)駕駛安全性能的大幅提升[4-5]。

容錯(cuò)調(diào)控方法最初是在航空航、精密醫(yī)學(xué)系統(tǒng)、光學(xué)檢測等行業(yè)得到應(yīng)用[6]。隨著人們對汽車安全性持續(xù)提高,在汽車控制領(lǐng)域也開始引入容錯(cuò)控制技術(shù)[7]。目前較為成熟的容錯(cuò)技術(shù)主要包括線性二次調(diào)節(jié)、滑模處理、分配算法、機(jī)器深度學(xué)習(xí)等[8-9]。此外還有許多學(xué)者開展了分布電驅(qū)動(dòng)汽車容錯(cuò)調(diào)節(jié)方面的研究工作,但以上研究內(nèi)容基本都是關(guān)于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)容錯(cuò)調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)向電機(jī)故障分析的過程[10]。還有一些研究人員根據(jù)Delta算子處理技術(shù)對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行故障判斷并建立了容錯(cuò)模型預(yù)測方法(MPC)。通過三角算子建立故障檢測觀測器,之后評(píng)估線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障特征。根據(jù)Delta算子構(gòu)建主動(dòng)容錯(cuò)MPC,以此補(bǔ)償執(zhí)行器運(yùn)行故障產(chǎn)生的干擾,可以在執(zhí)行器出現(xiàn)故障問題時(shí)實(shí)現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向控制,避免發(fā)生跟蹤能力減弱的情況[11]。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)冗余技術(shù)也在容錯(cuò)控制系統(tǒng)中獲得了應(yīng)用,但上述方法存在成本偏高的情況,并且實(shí)際布置結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜[12]。H∞控制方式也可以在線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)調(diào)節(jié),但采用這一方法進(jìn)行處理時(shí)需建立準(zhǔn)確模型函數(shù)[13]。采用無模型自適應(yīng)方法進(jìn)行處理時(shí)是通過動(dòng)態(tài)線性方法與偽偏導(dǎo)數(shù)算法為閉環(huán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)參數(shù)設(shè)置等價(jià)動(dòng)態(tài)線性模型,之后根據(jù)上述等價(jià)虛擬模型建立控制器,再對控制系統(tǒng)開展理論研究[14],只通過被控對象入輸出參數(shù)完成非線性系統(tǒng)的自主調(diào)節(jié)。根據(jù)近些年文獻(xiàn)報(bào)道可知,無模型自適應(yīng)控制技術(shù)在眾多領(lǐng)域都發(fā)揮了重要作用[15]。

到目前為止,汽車線控轉(zhuǎn)向容錯(cuò)控制過程通常都需要建立準(zhǔn)確的汽車模型并設(shè)置相應(yīng)的故障診斷和隔離方式,從而確保系統(tǒng)可以克服汽車模型時(shí)變、強(qiáng)耦合問題。根據(jù)以上研究結(jié)果,本文開發(fā)了一種包含多輸入多輸出參數(shù)的無模型自適應(yīng)主動(dòng)容錯(cuò)控制(MIMO-MFAC)技術(shù),從而保證安全行駛控制性能。

1 MIMO-MFAC容錯(cuò)控制器設(shè)計(jì)

本文建立了圖1中轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主動(dòng)容錯(cuò)架構(gòu)[16]?？梢允闺妱?dòng)汽車系統(tǒng)存在故障問題的情況下,利用四輪電機(jī)形成橫擺力矩,使汽車與設(shè)計(jì)軌跡之間保持緊密跟蹤狀態(tài),在系統(tǒng)框架中包含預(yù)期駕駛模型、MIMO-MFAC容錯(cuò)調(diào)節(jié)器與控制對象。

圖1 MIMO-MFAC轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主動(dòng)容錯(cuò)控制圖

對于MIMO-MFAC容錯(cuò)控制過程來說,不需要設(shè)置精確數(shù)學(xué)模型,但需為系統(tǒng)設(shè)定輸入輸出參數(shù)。因此設(shè)計(jì)得到圖2中電動(dòng)汽車模型,分別對縱向、橫向與橫擺運(yùn)動(dòng)進(jìn)行自由度測試,建立以下動(dòng)力學(xué)方程:

圖2 電動(dòng)汽車自由度模型

式中:m表示整車質(zhì)量;vx表示汽車沿縱向的車速;vy表示汽車側(cè)向車速;ω表示橫擺角速度;a、b依次是前軸和后軸相對質(zhì)心的間距,c表示1/2輪距。

以下是汽車轉(zhuǎn)向系模型表達(dá)式:

式中:Js表示轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;fs表示摩擦系數(shù);dw表示輪胎與地面間形成的接觸面寬度;fδ表示前輪轉(zhuǎn)角;Ts是方向盤轉(zhuǎn)矩。

完成汽車的非線性化和離散化處理獲得以下的MIMO汽車非線性離散時(shí)間:

y(k+1)=f[y(k)…y(k-ny),u(k)…u(k-nu)]

式中:u(k),y(k)依次對應(yīng)k時(shí)刻下MIMO-MFAC輸入與輸出。

構(gòu)建電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)向MIMO-MFAC容錯(cuò)表達(dá)式,如下所示:

式中:η∈(0, 2]屬于步長因子,確定冗余容錯(cuò)步長;μ>0表示權(quán)重因子,可以對偽雅克比矩陣估計(jì)結(jié)果進(jìn)行懲罰計(jì)算。

MIMO-MFAC主動(dòng)容錯(cuò)系統(tǒng)校正電動(dòng)汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障時(shí),先結(jié)合汽車輸入輸出參數(shù)估算得到k時(shí)刻偽雅可比矩陣,以兩側(cè)車輪力矩T作為輸入,以車輪角速度ω和橫擺角速度ωk作為輸出;再計(jì)算k時(shí)刻實(shí)際值和期望值之差,由此確定車輪角速度誤差。

2 仿真驗(yàn)證

對MIMO-MFAC線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主動(dòng)容錯(cuò)控制過程開展Matlab/Simulink和CarSim仿真測試,以CarSim的SUV車型作為測試對象,具體汽車參數(shù)見表1。

表1 汽車動(dòng)力學(xué)參數(shù)

當(dāng)系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制的情況下,MIMO-MFAC主動(dòng)容錯(cuò)控制系統(tǒng)可以利用圖3中分布式結(jié)構(gòu)為電驅(qū)動(dòng)汽車車輪設(shè)置分配力矩,確保汽車達(dá)到圖4的期望車速并保持圖5期望橫擺角速度,實(shí)現(xiàn)汽車的安全控制效果。對于上述仿真工況,當(dāng)汽車無法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制,得到圖6中有無容錯(cuò)系統(tǒng)控制條件下的兩種行駛軌跡。通過分析可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)汽車保持72 km/h的車速狀態(tài)下時(shí),持續(xù)15 s喪失轉(zhuǎn)向控制并且無法實(shí)現(xiàn)控制的條件下,汽車將會(huì)偏離車道并撞到附近汽車或圍欄而導(dǎo)致交通事故。但加入本文容錯(cuò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)時(shí),可以利用冗余容錯(cuò)算法使汽車始終位于期望軌跡上,到達(dá)t=35 s時(shí)進(jìn)入減速制動(dòng)階段,汽車完成制動(dòng)停車,同時(shí)開啟雙閃燈提示附近交通參與人員該汽車存在故障,從而確保汽車和其它汽車的安全性,上述測試結(jié)果表明本文開發(fā)的容錯(cuò)系統(tǒng)可以確保汽車在高速工況下不具備轉(zhuǎn)向控制能力時(shí)也可以完成汽車調(diào)控,從而有效保障汽車運(yùn)行安全,實(shí)習(xí)容錯(cuò)控制效果。

圖3 電機(jī)轉(zhuǎn)矩分配(中高速喪失轉(zhuǎn)向)

圖4 汽車速度(中高速喪失轉(zhuǎn)向)

圖5 電機(jī)轉(zhuǎn)矩分配(中高速喪失轉(zhuǎn)向)

圖6 汽車速度(中高速喪失轉(zhuǎn)向)

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步分析主動(dòng)容錯(cuò)控制過程實(shí)時(shí)性,還設(shè)置了典型工況下的駕駛模擬器測試,表明此方法滿足可靠性要求。按照跟仿真過程同樣的中高速喪失轉(zhuǎn)向能力開展測試。根據(jù)CarSim汽車動(dòng)力學(xué)模塊和建立在Matlab/Simulink基礎(chǔ)上的容錯(cuò)控制器以S函數(shù)完成信息的傳輸過程。把容錯(cuò)模型語句編譯后加載到平臺(tái)系統(tǒng)中,之后利用視景仿真方式建立汽車運(yùn)行場景,同時(shí)在CarSim電腦中建立輸入輸出接口再進(jìn)行測試。為中央控制平系統(tǒng)的各個(gè)電腦確定相同通訊步長,控制周期為10 ms。

進(jìn)行主動(dòng)容錯(cuò)控制時(shí),針對圖5中四個(gè)車輪力矩實(shí)施調(diào)節(jié),從而控制汽車達(dá)到圖6的期望車速與圖7的橫擺角速度,確保汽車失去轉(zhuǎn)向能力的情況下也可以保持預(yù)期路徑并完成安全換道的過程。

圖7 橫擺角速度(中高速喪失轉(zhuǎn)向)

通過對比發(fā)現(xiàn),測試結(jié)果和仿真結(jié)果相符,由此表明本文開發(fā)的主動(dòng)容錯(cuò)控制系統(tǒng)可以使汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在不具備轉(zhuǎn)向控制性能的條件下也實(shí)現(xiàn)圖8的期望軌跡。

圖8 汽車行駛軌跡(中高速喪失轉(zhuǎn)向)

表2給出了上述工況下進(jìn)行仿真測試和駕駛模擬器測試得到的橫擺角最大速度差值和橫向位置差值。根據(jù)表3仿真驗(yàn)證結(jié)果可知,橫擺角速度達(dá)到了0.000 4 rad/s的最大差值,并產(chǎn)生了0.110 2 m的最大橫向偏差;在駕駛模擬器中進(jìn)行測試時(shí)橫擺角速度達(dá)到了0.003 8 rad/s的最大差值,同時(shí)沿橫向位置形成了0.263 5 m的最大差值,從而確保轉(zhuǎn)向系統(tǒng)出現(xiàn)故障的情況下也可以控制汽車被控制在安全區(qū)間內(nèi)。

表3 工況控制效果對比

4 結(jié)論

本文開展轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主動(dòng)容錯(cuò)多輸入多輸出模型自適應(yīng)控制研究,取得如下有益結(jié)果:

(1) 仿真結(jié)果表明容錯(cuò)系統(tǒng)可以確保汽車在高速工況下不具備轉(zhuǎn)向控制能力時(shí)也可以完成汽車調(diào)控。設(shè)置容錯(cuò)系統(tǒng)可以使汽車橫擺角速度差值低于0.000 5 rad/s,汽車橫向位置差值低于0.110 5 m,確保汽車處于10 cm的安全區(qū)間內(nèi)。

(2) 測試結(jié)果和仿真結(jié)果相符,表明本主動(dòng)容錯(cuò)控制系統(tǒng)可以使汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。橫擺角速度達(dá)到了0.000 4 rad/s的最大差值,并產(chǎn)生了0.110 2 m的最大橫向偏差,確保轉(zhuǎn)向系統(tǒng)出現(xiàn)故障的情況下也可以控制汽車被控制在安全區(qū)間內(nèi)。