一种四轮独立线控转向汽车执行器容错控制算法

本发明涉及智能汽车领域，具体地，涉及一种四轮独立线控转向汽车执行器容错控制算法。

背景技术：

1、随着智能汽车向着无人化发展的趋势，相应的一系列线控技术逐渐成为智能汽车不可缺少的关键部分。线控转向使用传感器、电机、控制中心（ecu）等电控设备代替传统的转向盘与转向轮之间的机械连接，有着改善车辆驾驶灵活性、提高汽车行驶稳定性与安全性以及减轻驾驶员驾驶负担等优势；同样的，四轮独立转向凭借其具有更多的可控自由度，更强的车辆机动性和可操纵性以及实现传统汽车无法实现的四轮转向和原地转向等其他多种特殊转向模式而受到越来越的研究人员关注。两者结合而成的四轮独立线控转向(4wis)具有广阔的应用前景，成为一大研究热点。但正是由于4wis取消了转向盘与转向轮之间的机械连接，由电子设备、控制中心、转向执行器进行驾驶员命令的接收与实施，所以其可靠性相比与传统的机械转向大打折扣。一旦汽车在行驶过程中，出现任何一个部位的故障，都有可能对乘车人员造成危险。转向执行器作为四轮独立线控转向汽车在转向过程中最为关键的一步，一旦其发生失效故障，无法完成正常所需要的转向角，车辆的行驶稳定性指标会趋于不正常的状态，进而会对汽车的行驶安全性造成威胁。

2、因此，针对四轮独立线控转向汽车的容错控制必不可少。有关线控转向系统故障从结构上可分为：执行器故障、传感器故障、控制器故障及通讯故障。针对执行器的失效故障，最有效直接的办法就是对执行机构进行冗余备份，使用此种方法虽然提高了汽车发生故障后的安全性，但由于其安装多个执行器的方式，无疑增加了汽车空间的使用，除此之外，还存在着执行器之间不同步的问题。所以，在不考虑冗余备份的条件下，可以通过有效的控制算法对还保有部分工作能力的执行器进行容错控制。基于此，本发明提出一种针对四轮独立线控转向汽车之执行器失效故障的容错控制算法。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种四轮独立线控转向汽车执行器容错控制算法，不仅优化了汽车在正常转向行驶时的稳定性性能，而且在汽车发生执行器失效故障后，能够使得汽车稳定性性能逐渐跟踪理想状态的稳定性性能。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

3、本发明第一方面提供了一种四轮独立线控转向汽车执行器容错控制算法，包括：

4、建立二自由度前轮转向理想车辆模型；建立转向系统的故障模型；

5、基于线性矩阵不等式设计以所述二自由度前轮转向理想车辆模型为跟踪目标的保性能跟踪算法；

6、设计自适应容错控制算法；

7、所述保性能跟踪算法结合自适应容错控制算法推导出车辆故障状态下跟踪车辆正常状态的容错控制算法，通过所述跟踪车辆正常状态的容错控制算法对所述二自由度前轮转向理想车辆模型的质心侧偏角和横摆角速度进行跟踪。

8、作为一种优选方案，所述建立二自由度前轮转向理想车辆模型的方法包括：

9、建立二自由度前轮转向理想车辆模型的运动微分方程：

10、(1)

11、其中，为参考质心侧偏角，为参考横摆角速度，为前轮转角，为车辆质量，是车辆的纵向速度，为车辆质心到前轴的距离，为车辆质心到后轴的距离，为车辆绕轴的转动惯量，分别为车辆前轮、后轮的侧偏刚度；

12、当汽车处于稳定操纵状态时，动态项，，因此可得横摆角速度和质心侧偏角名义值为：

13、(2)

14、考虑轮胎侧向力的极限值受路面附着系数的限制，因此规定横摆角速度和质心侧偏角的最大值分别为：

15、(3)

16、其中，为路面附着系数，为重力加速度；则可以得到质心侧偏角和横摆角速度修正名义值为：

17、（4）

18、最终得到：

19、(5)。

20、作为一种优选方案，所述建立转向系统的故障模型的方法包括：

21、用表示来自第个故障执行器的信号：

22、，()(6)

23、其中，，，是一个未知的常数，和是的上界和下界；

24、所述转向系统的故障模型的定义为：

25、(7)

26、其中，，代表带有故障的第个车轮的转角。

27、作为一种优选方案，所述建立转向系统的故障模型的方法包括：

28、根据阿克曼转向原理简化建立四轮独立转向汽车的二自由度动力学模型,得到二自由度四轮转向汽车的微分方程为：

29、(8)

30、其中，分别为车辆左前轮、右前轮、左后轮以及右后轮的侧偏刚度，设定=，，分别为前后轮侧偏刚度，所述二自由度四轮转向汽车的微分方程可转变为状态空间方程：

31、(9)

32、其中，，，，，为质心侧偏角，为横摆角速度，、、、分别为左前轮转角、右前轮转角、左后轮转角、右后轮转角；

33、结合所述转向系统的故障模型的定义，所述转向系统的故障模型用状态空间方程表达如下：

34、，(10)。

35、作为一种优选方案，所述基于线性矩阵不等式设计以所述二自由度前轮转向理想车辆模型为跟踪目标的保性能跟踪算法的方法包括：

36、建立带有跟踪误差积分项的四轮独立转向增广系统模型，正常运行时，跟踪参考信号的实际输出尽量无稳态误差，即：

37、(11)

38、其中，为单位矩阵；

39、在控制器中引入跟踪误差积分项以消除稳态跟踪误差，定义以下二次型性能指标：

40、(12)

41、其中，，，为半正定加权矩阵，r是正定加权矩阵；

42、结合(1)式和(11)式，得到如下增广系统：

43、=(13)

44、其中，(t)===(14)；

45、令，得到带有跟踪误差积分项的四轮独立转向增广系统：

46、(15)

47、其中，；

48、其次，考虑带有跟踪误差积分项的四轮独立转向增广系统，其状态反馈跟踪控制器如下：

49、=(16)

50、那么正常四轮独立转向闭环增广系统为：

51、(17)

52、然后提出用于保性能跟踪控制的线性矩阵不等式条件：考虑所述正常四轮独立转向闭环增广系统和所述二次型性能指标，对于一个给定的正常数，若存在对称矩阵和一个矩阵使线性矩阵不等式(19)、(20)成立，那么可以使得闭环正常增广系统稳定,达到车辆正常状态下以理想车辆模型为目标进行保性能跟踪的目的，且是系统的最优状态反馈保性能控制律；其中，=(18)，线性矩阵不等式为：

53、(19)

54、>0(20)

55、其中，。

56、作为一种优选方案，设计自适应容错控制算法的方法包括：

57、首先，为了得到执行器失效性信息，引入预测模型：

58、(21)

59、其中，为执行器失效因子的预测值，，输入是控制值，，，；

60、定义发生执行器失效故障后的车辆状态跟踪正常运行时的车辆状态误差为：

61、(22)

62、并且使控制量，得到增广状态误差系统：

63、(23)

64、其中，，，为误差反馈增益；令，，则增广状态误差系统(23)可以被写为：

65、(24)

66、其次，提出用于稳定增广状态误差系统的lmi条件：存在对称矩阵>0以及矩阵，对于任意的，下列矩阵不等式都成立：

67、(25)

68、其中，}，不同的故障，会得到对应的、矩阵；

69、进而得到：

70、(26)

71、根据以下自适应性规律得到：

72、

73、（27）

74、其中，=，>0为根据实际应用情况而定的增益，表示投影运算符，能够将估计值投影到区间之内；当超过最大值，且有继续增大的趋势时，即，则取值不变，即；当超过最小值，且有继续减小的趋势，即，则取值不变，即；

75、为使得所述预测模型与所述正常四轮独立转向闭环增广系统相匹配，设计

76、(28)

77、式(21)变为：

78、(29)

79、则式(29)与所述正常四轮独立转向闭环增广系统完全匹配；

80、最后，选择的自适应容错控制器为：

81、(30)

82、其中，则可以得到自适应控制器：

83、(31)。

84、作为一种优选方案，设计自适应容错控制算法的方法还包括：

85、构建李雅普诺夫函数对所述自适应容错控制算法进行验证：

86、(32)

87、求导可得：

88、(33)

89、由于未知，定义，使用自适应性规律(27)，则：

90、(34)

91、所以：

92、(35)

93、通过式(25)和，，可以得到：

94、(36)

95、通过上述提及的矩阵不等式(18)、(19)、(25)，可以得到不等式：

96、(37)

97、进而可得：

98、(38)

99、其中：

100、(39)。

101、作为一种优选方案，所述保性能跟踪算法结合自适应容错控制算法推导出车辆故障状态下跟踪车辆正常状态的容错控制算法，通过所述跟踪车辆正常状态的容错控制算法对所述二自由度前轮转向理想车辆模型的质心侧偏角和横摆角速度进行跟踪的方法包括：

102、所述跟踪车辆正常状态的容错控制算法为：

103、

104、由上述算法可以计算得出：当执行器未发生失效故障，即时，带入上式可得，，容错控制器未发生控制，不会影响到正常运行的转向系统，此时发挥作用，以达到优化正常系统的状态至理想状态的目的；当执行器发生失效故障，即时，与共同起到作用，发挥出的效果；最后，带有故障控制的控制器就会自动补偿故障并逐渐跟踪所述二自由度前轮转向理想车辆模型的质心侧偏角和横摆角速度。

105、本发明第二方面提供了一种计算机可读存储介质，其上储存有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现前述的一种四轮独立线控转向汽车执行器容错控制算法的步骤。

106、本发明第三方面提供了一种计算机设备，包括存储介质、处理器以及储存在所述存储介质中并可被所述处理器执行的计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现前述的一种四轮独立线控转向汽车执行器容错控制算法的步骤。

107、相较于现有技术，本发明所具有的有益效果是：

108、本发明通过将保性能跟踪算法结合自适应容错控制算法推导出车辆故障状态下跟踪车辆正常状态的容错控制算法，然后通过所述跟踪车辆正常状态的容错控制算法对所述二自由度前轮转向理想车辆模型的质心侧偏角和横摆角速度进行跟踪，不仅优化了汽车在正常转向行驶时的稳定性性能，而且在汽车发生执行器失效故障后，能够使得汽车稳定性性能逐渐跟踪理想状态的稳定性性能。