本发明涉及车辆集成设计及控制，具体地说，涉及一种面向全矢量动力底盘的独立线控转向系统及控制方法。
背景技术：
1、随着近年来汽车工业的不断发展，汽车几乎成为了每个家庭的必需品，但是随着汽车保有量的急剧增加，在许多城市已经出现了交通拥堵、停车困难等一系列问题，而导致这些问题的一个关键的原因就是目前在市场中占据主导的两轮转向车辆的机动性与行驶安全性有待提高，因此，能适应多样化的用车场景(例如原地转向、横行变道、四轮独立转向)的四轮转向汽车应运而生。但目前市场上的量产车型中仅部分高端车型搭载了后轮转向，该后轮转向的极限转角一般为5～8°，且由于该后轮转向与前轮转向结构一样，一般采用传统的齿轮齿条式转向器，还有一部分采用蜗杆肖式、蜗杆滚轮式、以及循环球式转向器，这种转向器依旧保留了转向梯形结构，左右轮之间依然存在机械约束，从而不能实现左右轮的独立转向控制，仅在一定程度上提高了汽车的机动性，但仍不能实现原地转向、横向变道、四轮独立转向等功能，依旧无法满足用户对车辆高机动性的要求同时传统非机械解耦的汽车在转向时容易出现转向不足和转向过度的问题，这是由于汽车的转向梯形一旦确定，那么汽车各个轮胎的转角关系也随之确定。
2、全矢量动力底盘汽车的出现无疑解决了这一难题，全矢量动力底盘汽车由于驱动形式为分布式驱动即电驱动，因此也是新能源汽车的重要类型之一。全矢量动力底盘汽车是汽车底盘的一次革新。全矢量动力底盘在每个车轮处都配备了角模块，角模块集成悬架与转向系统为一体，取消了传统的转向梯形等机械部件，取消了左右轮之间的机械连接，从而实现了左右轮的物理解耦，这使得车轮的转角完全由转向电机控制，并且轮与轮的转角并无硬性关系约束，这在极大程度上解决了转向不足与转向过度的根本问题。但没有了传统的转向梯形等机械构件的约束，虽然在一定程度上提高了汽车的机动性，但是其操纵稳定性与结构安全性也面临着严峻的挑战。因此设计一个结构安全性高的全矢量动力底盘转向角模块和契合全矢量动力底盘且普遍适用的全轮独立线控转向控制方法尤为重要。
技术实现思路
1、本发明的内容是提供一种面向全矢量动力底盘的独立线控转向系统及控制方法，其能够克服现有技术的某种或某些缺陷。
2、一种面向全矢量动力底盘的独立线控转向控制方法，包括：
3、根据前方道路信息和方向盘转角判定驾驶员的转向意图，再将转向意图与对应的驾驶员map曲线匹配并结合行驶参数获取期望的横向速度以及期望的横摆角速度，将转向意图所需的需求向心力和当前驾驶情况下车辆可提供的向心力比较选择对应的阿克曼转向map曲线获取最优阿克曼四轮转角，最后控制车轮依据最优阿克曼四轮转角、期望的横向速度以及期望的横摆角速度进行转向。
4、进一步地，所述判定驾驶员的转向意图包括：根据前方道路信息判断前方道路情况，若前方道路为弯道则判定驾驶员转向意图为转弯，若前方道路为直线路段则结合方向盘转角及车辆横摆角进一步判定驾驶员转向意图为调姿、换道和原地转向中的任一种。
5、所述驾驶员map曲线经过深度学习获得，包括驾驶员转弯map曲线、驾驶员调姿map曲线、驾驶员换道map曲线、驾驶员原地转向map曲线；
6、判定驾驶员意图为转弯，表现在车辆运动方面为：期望获得相较其他转向意图更大的横摆角速度以及更小的横向速度，此时车辆转向模式处于前后轮异相位模式，以便于实现转弯动作、跟踪弯道道路；将行驶参数与驾驶员转弯map曲线结合获取转弯模式下期望的横向速度以及期望的横摆角速度；所述行驶参数包括车辆质心处纵向速度、路面附着系数。
7、判定驾驶员意图为调姿，表现在车辆运动方面为：期望小幅度调整横摆角速度以及横向速度；将行驶参数与驾驶员调姿map曲线结合获取调姿模式下期望的横向速度以及期望的横摆角速度；
8、判定驾驶员意图为换道，表现在车辆运动方面为：期望获得相较其他转向意图更小的横摆角速度和更大的横向速度，此时车辆转向模式处于前后轮同相位模式，以便于实现换道动作；将行驶参数驾驶员调姿map曲线结合获取调姿模式下期望的横向速度以及期望的横摆角速度；
9、判定驾驶员意图为原地转向，表现在车辆运动方面为车轮需要转到规定的原地转向角度；将行驶参数驾驶员原地转向map曲线结合获取原地转向模式下期望的横向速度以及期望的横摆角速度；
10、进一步地，所述根据方向盘转角及车辆横摆角进一步判定包括：当车辆偏航角大于临界航线偏差且有方向盘转角时，判定驾驶员转向意图为调姿；当车辆偏航角小于临界航线偏差且有方向盘转角时，判定驾驶员转向意图为换道；当车速趋向于0或等于0且方向盘转角为极限转角时，判定驾驶员转向意图为原地转向，其中，偏航角＝车道线角度-车辆横摆角。
11、进一步地，获取车辆四轮的实际车轮转角结合相应轮胎侧偏刚度得到实际轮胎侧向力，再结合实际轮胎侧向力、路面附着系数、当前的横摆角速度和横向速度以计算可提供的向心力。
12、进一步地，若需求向心力大于可提供的向心力，则需要增加可提供的向心力，基于不足阿克曼转向map曲线确定最优阿克曼四轮转角；若需求向心力等于可提供的向心力，则可提供的向心力保持不变，基于完全阿克曼转向map曲线确定最优阿克曼四轮转角；若需求向心力小于可提供的向心力，则需要减小可提供的向心力，基于过度阿克曼转向map曲线确定最优阿克曼四轮转角。
13、进一步地，所述控制车辆转向模块的过程中还涉及期望的横向速度以及期望的横摆角速度对应的微分值，所述微分值根据跟踪微分器得到，所述跟踪微分器的带宽频率ωn计算过程如下：
14、
15、式中，f表示轮胎附着力，fmax表示轮胎附着力极限值，k为控制器增益，ωn0为在车速vx下的基础带宽频率，ωnmax为最大带宽频率。
16、具体的，跟踪微分器采用典型二阶系统设计，其数学表达形式为：
17、
18、计算出带宽频率ωn后，跟踪微分器闭环传递函数φ(s)变为：
19、
20、y表示经拉氏变换后的系统响应，u表示经拉氏变换后的系统激励，s为复频率；
21、经过拉氏反变换得：
22、
23、其中，为系统响应y的二阶微分，为系统响应y的一阶微分，令系统响应y＝x1，x1为系统当前状态，u＝v，v为目标状态，即：
24、
25、vyd表示期望的横向速度，ωd表示期望的横摆角速度；
26、用状态方程的方式表达为：
27、
28、系统当前状态x1为过渡曲线，x2为过渡曲线的微分；
29、将上述跟踪微分器形式代入车辆动力学控制得到：
30、车辆横向：
31、
32、车辆横摆方向：
33、
34、由此求得期望横摆角速度和期望横向速度的微分值，ω表示横摆角速度。
35、一种面向全矢量动力底盘的独立线控转向系统，包括：输入层、控制层以及执行层，所述输入层包括驾驶员控制输入、路径跟踪输入、传感器观测输入；所述控制层根据输入层的输入实施一种面向全矢量动力底盘的独立线控转向控制方法确定相应控制信息并下发到执行层，所述执行层根据控制信息为每个车轮对应控制器输出相应控制信号以控制每个车轮的转向角模块实现对应车轮转向。
36、进一步地，所述驾驶员控制输入包括方向盘转角，所述路径跟踪输入包括前方道路信息、车辆偏航角，所述传感器观测输入包括横摆角速度、横向速度及车速。
37、进一步地，所述控制层包括转向意图确定模块、速度确定模块、转角确定模块以及输出模块，
38、所述转向意图确定模块用于根据前方道路信息和方向盘转角判定驾驶员的转向意图；
39、所述速度确定模块用于将转向意图与对应的驾驶员map曲线匹配并结合行驶参数获取期望的横向速度以及期望的横摆角速度；
40、所述转角确定模块用于将转向意图所需的需求向心力和当前驾驶情况下车辆可提供的向心力比较选择对应的阿克曼转向map曲线获取最优阿克曼四轮转角；
41、所述输出模块用于将最优阿克曼四轮转角、期望的横向速度以及期望的横摆角速度作为控制信息输出。
42、进一步地，所述转向角模块不包括转向梯形。
43、本发明的有益效果如下：
44、1)本发明的转向角模块取消了转向梯形等机械部件的连接，实现了结构上的解耦，具有更高的可控自由度，能够更好的发挥控制策略的优势，从而实现更高级别的自动驾驶；四轮独立转向角中布置了弹簧滚子结构，用来平衡转向时所产生的横向力，使得角模块结构更加合理安全；该角模块可以使车轮极限转角达到±90°，可以实现横向行驶等特殊形驶模式，同时极限转角处布置了限位块以保证转向安全性；区别于传统的四轮转向只需要两个电机驱动前后轴的转向器便可完成四轮转向，该四轮独立转向角模块四轮在结构上完全解耦，因此需要布置与车轮数相同的四个转向电机来分别驱动每个车轮的转向，这样当转向电机出现失效情况时，只会使得对应的车轮转向失效，而不会使整个轴上的2个车轮转向全部失效。
45、2)结合经过深度学习的各种驾驶员曲线map图，在同等算力条件下，深度学习取得的驾驶员曲线map图可以具有更高的泛化性，其在保证稳定性的同时，其稳态精度也较好。引入横向速度以及横摆角速度等控制量，可以提高汽车的操纵稳定性；同时只需要借助一个简单的二阶跟踪微分器，得到需要的控制量，降低了控制系统的繁琐程度，同时可以使控制系统无超调的达到控制目标；本发明设计了一个带宽计算方法，可以使系统响应速度加快。
46、3)结合经过深度学习的各种阿克曼转向曲线map图，经过千万个实车测验数据输入深度学习取得的阿克曼转向曲线map图可以具有更高的泛化性，其在保证稳定性的同时，其稳态精度也较好，相比于其他理论性的控制方法，其在实车上的效果也更好。同时考虑到转向时需求向心力与实际提供的向心力之间的关系，可以消除由于车轮侧偏角带来的转向不足、转向过度等一系列问题。
1.一种面向全矢量动力底盘的独立线控转向控制方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种面向全矢量动力底盘的独立线控转向控制方法，其特征在于，所述判定驾驶员的转向意图包括：根据前方道路信息判断前方道路情况，若前方道路为弯道则判定驾驶员转向意图为转弯，若前方道路为直线路段则结合方向盘转角及车辆横摆角进一步判定驾驶员转向意图为调姿、换道和原地转向中的任一种。
3.根据权利要求2所述的一种面向全矢量动力底盘的独立线控转向控制方法，其特征在于，所述根据方向盘转角及车辆横摆角进一步判定包括：当车辆偏航角大于临界航线偏差且有方向盘转角时，判定驾驶员转向意图为调姿；当车辆偏航角小于临界航线偏差且有方向盘转角时，判定驾驶员转向意图为换道；当车速趋向于0或等于0且方向盘转角为极限转角时，判定驾驶员转向意图为原地转向，其中，偏航角＝车道线角度-车辆横摆角。
4.根据权利要求1所述的一种面向全矢量动力底盘的独立线控转向控制方法，其特征在于，获取车辆四轮的实际车轮转角结合相应轮胎侧偏刚度得到实际轮胎侧向力，再结合实际轮胎侧向力、路面附着系数、当前的横摆角速度和横向速度以计算可提供的向心力。
5.根据权利要求1所述的一种面向全矢量动力底盘的独立线控转向控制方法，其特征在于，若需求向心力大于可提供的向心力，则需要增加可提供的向心力，基于不足阿克曼转向map曲线确定最优阿克曼四轮转角；若需求向心力等于可提供的向心力，则可提供的向心力保持不变，基于完全阿克曼转向map曲线确定最优阿克曼四轮转角；若需求向心力小于可提供的向心力，则需要减小可提供的向心力，基于过度阿克曼转向map曲线确定最优阿克曼四轮转角。
6.根据权利要求1所述的一种面向全矢量动力底盘的独立线控转向控制方法，其特征在于，所述控制车辆转向模块的过程中还涉及期望的横向速度以及期望的横摆角速度对应的微分值，所述微分值根据跟踪微分器得到，所述跟踪微分器的带宽频率ωn计算过程如下：
7.一种面向全矢量动力底盘的独立线控转向系统，其特征在于，包括：输入层、控制层以及执行层，所述输入层包括驾驶员控制输入、路径跟踪输入、传感器观测输入；所述控制层根据输入层的输入实施权利要求1-6任一项所述的一种面向全矢量动力底盘的独立线控转向控制方法确定相应控制信息并下发到执行层，所述执行层根据控制信息为每个车轮对应的控制器输出相应控制信号以控制每个车轮的转向角模块实现对应车轮转向。
8.根据权利要求7所述的一种面向全矢量动力底盘的独立线控转向系统，其特征在于，所述驾驶员控制输入包括方向盘转角，所述路径跟踪输入包括前方道路信息、车辆偏航角，所述传感器观测输入包括横摆角速度、横向速度及车速。
9.根据权利要求7所述的一种面向全矢量动力底盘的独立线控转向系统，其特征在于，所述控制层包括转向意图确定模块、速度确定模块、转角确定模块以及输出模块，
10.根据权利要求7所述的一种面向全矢量动力底盘的独立线控转向系统，其特征在于，所述转向角模块不包括转向梯形。
