基于神經(jīng)Kalman四輪輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)防滑策略研究

　　崔坤利 

　?。ㄆ嫒鹦履茉雌嚰夹g(shù)有限公司，安徽 蕪湖 241002）

　　摘要：針對(duì)傳統(tǒng)雙電機(jī)四驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車在不同附著系數(shù)路面驅(qū)動(dòng)防滑功能較弱問題,提出基于神經(jīng)Kalman四輪輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)防滑策略。Kalman濾波算法剔除神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)數(shù)據(jù)的干擾誤差，調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的閾值和權(quán)值，獲得最優(yōu)識(shí)別滑轉(zhuǎn)率和控制策略，改進(jìn)后的神經(jīng)Kalman算法能夠識(shí)別當(dāng)前路面最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率，并結(jié)合四輪輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速易于獲得，直接橫擺力矩有效控制的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)車輪力矩進(jìn)行最優(yōu)控制。仿真結(jié)果表明：神經(jīng)Kalman能夠較好識(shí)別當(dāng)前路面最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率，神經(jīng)Kalman同時(shí)對(duì)四輪輪轂電機(jī)直接橫擺力矩最優(yōu)控制，提高車輛驅(qū)動(dòng)防滑能力。

　　關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；輪轂電機(jī)；神經(jīng)Kalman算法 ；最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率 ；最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率

　　中圖分類號(hào)：TM351 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

　　0 引言

　　電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)防滑策略（acceleration slipregulation）是電動(dòng)汽車穩(wěn)定性的重要組成部分。電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)防滑針對(duì)于不平整路面，汽車轉(zhuǎn)彎處車輪空轉(zhuǎn)，以及雨雪天氣，地面摩擦力較小，驅(qū)動(dòng)輪滑轉(zhuǎn)，汽車起步和加速時(shí)車輪滑轉(zhuǎn)等情況下，仍保持車輛穩(wěn)定行駛和最優(yōu)驅(qū)動(dòng)。由于我國(guó)提倡節(jié)能減排，電動(dòng)汽車零排放，無污染的優(yōu)點(diǎn)使其成為研究成為汽車領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)。電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)力主要是電機(jī)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)防滑對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度快和轉(zhuǎn)矩控制要求很高。電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)防滑不僅和本身的驅(qū)動(dòng)力有關(guān)，還和地面的滑轉(zhuǎn)率有關(guān)，驅(qū)動(dòng)力越大，電動(dòng)汽車防滑效果越好，穩(wěn)定性越高；地面的滑轉(zhuǎn)率最優(yōu)狀態(tài)下，電動(dòng)汽車才能獲得較優(yōu)驅(qū)動(dòng)力。

　　電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)防滑策略在最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率 ^[1] 方面，文獻(xiàn) ^[2] 中設(shè)計(jì)基于雙模糊算法的自適應(yīng)驅(qū)動(dòng)防滑控制器，采用路面識(shí)別模塊，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制前后輪，但是前后軸驅(qū)動(dòng)性能不能達(dá)到最優(yōu)。文獻(xiàn) ^[3] 對(duì)比分析了PID控制、模型跟蹤控制以及動(dòng)態(tài)自尋最佳滑轉(zhuǎn)率的滑模變結(jié)構(gòu)控制三種驅(qū)動(dòng)防滑控制算法的優(yōu)缺點(diǎn)，得出動(dòng)態(tài)自尋最佳滑轉(zhuǎn)率比靜態(tài)抗干擾性強(qiáng)。文獻(xiàn) ^[4] 中提出了基于驅(qū)動(dòng)防滑的全時(shí)四輪驅(qū)動(dòng)汽車牽引力控制策略，抑制了驅(qū)動(dòng)輪過度空轉(zhuǎn)滑轉(zhuǎn)，但只適用于個(gè)別路面條件，對(duì)于復(fù)雜路面控制穩(wěn)定性和驅(qū)動(dòng)性不能達(dá)到最優(yōu)效果。電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)防滑策略在驅(qū)動(dòng)性能方面，文獻(xiàn) ^[5] 對(duì)不同類型的驅(qū)動(dòng)電機(jī)特點(diǎn)進(jìn)行比較，其中輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)矩 ^[6] 能夠獨(dú)立控制，且較容易測(cè)量。文獻(xiàn) ^[7] 基于輪轂電機(jī)建立了整車動(dòng)力模型，模擬電動(dòng)汽車真實(shí)的駕駛狀態(tài)，為電動(dòng)汽車控制算法研究提供了平臺(tái)。文獻(xiàn) ^[8] 中對(duì)分布式驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車分別提出了基于穩(wěn)定性的驅(qū)動(dòng)力調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩增加橫向穩(wěn)定性，基于動(dòng)力性的驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩以改變縱向加速度和驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

　　本文針對(duì)于傳統(tǒng)雙電機(jī)四驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車在不同附著系數(shù)路面驅(qū)動(dòng)防滑功能較弱，綜合比較輪轂電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)較快，穩(wěn)定操縱性較強(qiáng)，基于輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)，提出神經(jīng)Kalman濾波算法，Kalman濾波算法剔除神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)數(shù)據(jù)的干擾誤差，調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的閾值和權(quán)值，獲得最優(yōu)識(shí)別滑轉(zhuǎn)率和控制策略。改進(jìn)后的神經(jīng)Kalman算法對(duì)路面識(shí)別數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率，車輪一發(fā)生滑轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)四輪輪轂電機(jī)扭矩，對(duì)當(dāng)前車輪車速和扭矩進(jìn)行最優(yōu)控制下的車輪速度。并對(duì)當(dāng)前車輪車速和扭矩進(jìn)行最優(yōu)控制下的車輪速度。

　　1 電動(dòng)汽車整車建模

　　1.1 輪轂電機(jī)數(shù)學(xué)模型

　　電機(jī)是電動(dòng)汽車的主要驅(qū)動(dòng)力，電動(dòng)汽車對(duì)電機(jī)要求包括較好的啟動(dòng)性能，能量使用效率高，低速爬坡能力強(qiáng)，成本低，安全性能高。表1對(duì)幾種輪轂電機(jī)的高電壓，轉(zhuǎn)速，質(zhì)量，體積，單位質(zhì)量功率輸出，高適應(yīng)性幾個(gè)方面進(jìn)行比較，綜合得出無刷直流輪轂電機(jī)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)性最優(yōu)，扭矩響應(yīng)最快。輪轂電機(jī)參數(shù)如表2所示，電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩和功率如圖1所示，電機(jī)效率如圖2所示。

　　1.2 整車結(jié)構(gòu)模型

　　本車型采用四輪輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)，整車結(jié)構(gòu)如圖3所示，整車結(jié)構(gòu)包括駕駛控制，扭矩分配，輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)，四個(gè)輪轂電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)四個(gè)車輪， 車速控制。駕駛員對(duì)加速踏板開合大小及方向盤轉(zhuǎn)角控制車速和車輪轉(zhuǎn)角大小，通過輪轂電機(jī)反饋給整車控制器當(dāng)前制動(dòng)轉(zhuǎn)矩和驅(qū)動(dòng)扭矩，整車控制器對(duì)輪轂電機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到控制車輛的目的。

　　2 驅(qū)動(dòng)防滑控制算法

　　2.1 Kalman濾波算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法

　　Kalman濾波算法 ^[10] 從觀測(cè)數(shù)據(jù)中剔除干擾，估計(jì)出需要的濾波信號(hào)，獲得準(zhǔn)確接近實(shí)際情況的信息。Kalman濾波算法的遞推公式為：其中， L λ 是觀測(cè)向量， Y λ 是狀態(tài)向量，, 1 λ λγ? 、B λ 是系數(shù)矩陣，, 1 λ λ ?Φ是狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣。

　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法 ^[11] 是一種多層前饋網(wǎng)絡(luò)算法，按誤差逆向傳播，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法像人的大腦神經(jīng)一樣進(jìn)行學(xué)習(xí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸圖如圖4所示。學(xué)習(xí)規(guī)則是信號(hào)正向傳播和誤差反向傳播的梯度下降法，信號(hào)正向傳播過程是樣本輸入到輸入層，再傳到隱含層，再傳到傳輸層，如果正向傳播的計(jì)算結(jié)果和期望結(jié)果有誤差，則會(huì)把誤差信號(hào)進(jìn)行反方向傳播，再調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的閾值和權(quán)值，直到輸出結(jié)果和期望結(jié)果一樣。

　　2.2 神經(jīng)Kalman優(yōu)化算法

　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法學(xué)習(xí)能力較強(qiáng)，但是容易陷入局部最優(yōu)，影響判斷結(jié)果。Kalman濾波算法通過剔除隨機(jī)數(shù)據(jù)的干擾誤差，改進(jìn)后的神經(jīng)Kalman優(yōu)化算法能夠在任意輸入樣本中，尋找出最優(yōu)結(jié)果。Kalman濾波算法分為兩個(gè)階段，向前傳輸階段和向后傳輸階段, 神經(jīng)Kalman優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)模型如圖5所示。

　　（1）向前傳輸階段：

　?、?gòu)奶峁┑臉颖綥中隨機(jī)取出一個(gè)樣本Li，并對(duì)樣本Li 進(jìn)行Kalman過濾，得過濾后的樣本Yi，輸入網(wǎng)絡(luò)；

　　② 隱含層輸入Ri進(jìn)行Kalman過濾，得過濾后的樣本Gi，輸入網(wǎng)絡(luò)；

　　③ 比較實(shí)際輸出Qi=FL（?F 2 （F 1 （P i W⑴

　?、?計(jì)算誤差

　　⑤ 調(diào)整權(quán)重值W ⑴ ，W (2) , ? W (L) ,重復(fù)調(diào)整直到

　　（2）向后傳輸階段：

　?、?計(jì)算理想輸出Oi和實(shí)際輸出Qi的差值；

　?、?用輸出層的誤差修改輸出層權(quán)矩陣；

　?、?img src="http://editerupload.eepw.com.cn/201907/1562577436542691.png" title="1562577436542691.png" alt="微信截圖_20190708171707.png"/>

　?、?用Ei估計(jì)輸出層的前一層誤差，再用前一層誤差估計(jì)更前一層誤差，反復(fù)獲得其它層估計(jì)誤差；

　?、輰⑤敵龆擞?jì)算的誤差沿著輸出端相反的方向傳遞，利用這些誤差對(duì)權(quán)矩陣修改；

　　3 仿真實(shí)驗(yàn)

　　3.1 仿真參數(shù)確定

　　應(yīng)用Matlab/Simulink仿真對(duì)控制方法進(jìn)行驗(yàn)證。電動(dòng)汽車模型參數(shù)如表3所示。

　　仿真路面選擇對(duì)接路面和對(duì)開路面。(1)對(duì)接路面仿真：初始車速10km/h，每個(gè)輪轂電機(jī)車輪驅(qū)動(dòng)均輸入500N*m，路面變化如圖6(a)所示，圖6(b)所示，在車輪未打滑時(shí)，路面識(shí)別算法將當(dāng)前路面數(shù)據(jù)放大，改進(jìn)后的神經(jīng)Kalman算法對(duì)路面識(shí)別數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率，圖6(c)車輪一發(fā)生滑轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)四輪輪轂電機(jī)扭矩，圖6(d)對(duì)當(dāng)前車輪車速和扭矩進(jìn)行最優(yōu)控制下的車輪速度。圖6(e)是無控制時(shí)車輪的速度。由圖6可以對(duì)比看出，改進(jìn)后的神經(jīng)Kalman算法對(duì)路面識(shí)別數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率，并對(duì)當(dāng)前車輪車速和扭矩進(jìn)行最優(yōu)控制下的車輪速度。驅(qū)動(dòng)防滑效果明顯優(yōu)于無控制狀態(tài)。

　　(2)開路面仿真：初始車速10km/h，每個(gè)輪轂電機(jī)車輪驅(qū)動(dòng)均輸入500N*m，路面附著系數(shù)為0.25和0.5。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7(a)所示，路面識(shí)別算法將當(dāng)前路面進(jìn)行識(shí)別，改進(jìn)后的神經(jīng)Kalman算法對(duì)路面識(shí)別數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率，圖7(b)神經(jīng)Kalman算法對(duì)整車力矩進(jìn)行最優(yōu)分配，圖7(c)表明神經(jīng)Kalman算法對(duì)車輪滑轉(zhuǎn)進(jìn)行了較優(yōu)控制。

　　4 結(jié)論

　　本文針對(duì)傳統(tǒng)雙電機(jī)四驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車在不同附著系數(shù)路面驅(qū)動(dòng)防滑功能較弱問題,提出基于神經(jīng)Kalman四輪輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)防滑策略。Kalman濾波算法剔除神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)數(shù)據(jù)的干擾誤差，調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的閾值和權(quán)值，獲得最優(yōu)識(shí)別滑轉(zhuǎn)率和控制策略。選擇對(duì)接路面和對(duì)開路面進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明，改進(jìn)后的神經(jīng)Kalman算法對(duì)路面識(shí)別數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率，車輪一發(fā)生滑轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)四輪輪轂電機(jī)扭矩，對(duì)當(dāng)前車輪車速和扭矩進(jìn)行最優(yōu)控制下的車輪速度。并對(duì)當(dāng)前車輪車速和扭矩進(jìn)行最優(yōu)控制下的車輪速度。驅(qū)動(dòng)防滑效果明顯優(yōu)于無控制狀態(tài)。

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　　作者簡(jiǎn)介：

　　崔坤利，女，（1992.9-）安徽工程大學(xué) 控制工程專業(yè)，碩士研究生，工程師，主要研究方向?yàn)樾履茉雌囯婒?qū)動(dòng)系統(tǒng)。

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　　本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第7期第70頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處