CN109733382A - 一种基于模型预测控制的汽车防侧翻方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于模型预测控制的汽车防侧翻方法，首先测得车辆的前轮转角、车速、横摆角速度、横向位置；然后计算出车辆的横向载荷转移率；接着将横向载荷转移率和预设的横向载荷转移率阈值作比较、将横向位置和预设的参考横向位置的差值和预设的最大差阈值做比较，根据这两者的比较结果调整车辆的前轮转角、控制四个车轮的制动力。本发明考虑了簧上质量与簧下质量对车身侧翻带来的不同影响，对防侧翻的控制效果起到更加精准的效果。

Description

一种基于模型预测控制的汽车防侧翻方法

技术领域

本发明涉及汽车主动安全技术领域，具体涉及一种基于模型预测控制的汽车防侧翻方法。

背景技术

随着经济的发展，全世界汽车的数量持续增长，道路变得拥挤，汽车出行的危险变大。因此，人们在关注汽车舒适性，经济型的同时，也把目光转向了安全性。在所有汽车安全事故当中，有一类事故的发生率不高，但是致死致伤的概率缺相当高。美国国家公路交通安全管理局(NHTSA)的调查报告显示，2014年由侧翻事故造成的人员死亡数量占当年所有交通事故致死数量的三分之一，因侧翻事故的死亡人数为7659人，多于其他车型。

目前在防侧翻领域主要运用的防侧翻控制方法有主动转向，差速制动，主动/半主动的悬架，在侧翻评价指标方面普遍采用的基于侧倾角、侧倾角速度的LTR的侧翻评价方法。其中主动转向方式进行的防侧翻控制主要通过转向电机进行反向附加转角干预的方式降低侧翻指标，差速制动可以产生一个附加横摆力矩同时降低车速达到降低侧翻的风险，主动/半主动悬架主要是通过改变悬架阻尼器的液压孔来进行阻尼的调节从而使得车辆防侧翻能力加强。

但上述的这些控制方式大多在防侧翻的时候只注重车身姿态，通过控制车身达到防侧翻效果，进而忽略了其所产生的控制效果，可能会使得车辆偏离原有路径或者行驶入别的车道进而产生二次碰撞，或者其他危险，违背驾驶员意图和控制意图，因此还有需要改进的地方。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种基于模型预测控制的汽车防侧翻及跟踪***及其控制。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于模型预测控制的汽车防侧翻方法，包含以下步骤：

步骤1)，测得车辆的前轮转角δ_f、车速v_r、横摆角速度β_r、横向位置y；

步骤2)，计算出车辆的横向载荷转移率LTR：

步骤3)，将横向载荷转移率LTR和预设的横向载荷转移率阈值LTR_des作比较，将横向位置Y和预设的参考横向位置Y_des的差值和η做比较，η为预设的最大差阈值：

当|(Y-Y_des)|＜η且LTR＜LTR_des时，不对车身状态进行调整；

当|(Y-Y_des)|＞η且LTR＜LTR_des时，控制汽车的两个前轮进行转向；

当|(Y-Y_des)|＜η且LTR＞LTR_des时，控制汽车的四个车轮进行制动，

当|(Y-Y_des)|＞η且LTR＞LTR_des时，控制汽车的两个前轮进行转向，同时控制汽车的四个车轮进行制动。

作为本发明一种基于模型预测控制的汽车防侧翻方法进一步的优化方案，所述步骤2) 的详细步骤如下：

步骤2.1)，根据a_y＝v_rβ_r，计算出车辆的侧向加速度a_y

步骤2.2)，对y方向受力分析，获得侧倾角加速度

式中，m为汽车总质量；m_s为簧上质量；e为簧载质量到侧倾中心的距离；为侧倾角加速度；k₁、k₂分别为车辆前后轮侧偏刚度；a、b分别为车辆质心到前后轴的距离；β为质心侧偏角；β_r为横摆角速度；

步骤2.3)，对x方向做力矩平衡：

式中，I_xs为汽车簧载质量绕车辆坐标系x轴的转动惯量；m_s为簧上质量；g为重力加速度，为车身为侧倾角，为侧倾刚度，为侧倾阻尼，为车身侧倾角速度；

步骤2.4)，对z方向做力矩平衡，获得横摆角加速度

其中，I_z为整车质量绕车辆坐标系z轴的转动惯量；为横摆角加速度；

步骤2.5)，建立三自由度车辆模型，并根据车速和转角求得当前状态车辆的侧倾角和侧倾角速度；

步骤2.5)，根据汽车侧翻过程中轮胎对路面的压力进行受力分析：

式中，F_R、F_L分别为右侧车轮纵向反力之和，左侧车轮纵向反力之和，T为轮距，m_d为簧下质量，h_d为簧下质量质心到地面距离；

步骤2.6)，由于横向载荷转移率且F_R+F_L＝mg，则：

作为本发明一种基于模型预测控制的汽车防侧翻方法进一步的优化方案，所述步骤3) 中控制汽车的两个前轮进行转向的具体步骤如下：

步骤3.1.1)，电子控制单元根据Y和参考横向位置Y_des、利用模型预测控制方法计算出相应的附加前轮转角δ_f：

步骤3.1.2)，建立主动前轮转向控制器的非线性模型：

式中：为纵向加速度；为横向车速；c₁，c₂分别为前后轮纵向刚度；s₁，s₂分别为前后轮滑移率；为横向加速度；为纵向车速；惯性坐标系横向速度；为惯性坐标系纵向速度；r为横摆角；

步骤3.1.3)，得到状态方程将其离散化：

其中u＝δ_f，A、B均为系数；

步骤3.1.4)，设计目标函数如下，计算出附加前轮转角：

满足前轮转角约束：δ_f,min≤δ_f≤δ_f,max

式中，Y(t)是t时刻***实际输出的横向位置；Y_c(t)是t时刻参考的横向位置；N_p是预测时域；N_c是控制时域；u(t)是t时刻主动前轮转向控制器输出的控制变量；δ_f为前轮转角，Q、R分别为目标函数第一项和第二项的权重矩阵，p为权重系数，ε为松弛因子；δ_f,min为最小前轮转角，δ_f，max为最大前轮转角；

步骤3.1.5)，控制器根据计算出的附加前轮转角控制汽车的两个前轮进行转向；

作为本发明一种基于模型预测控制的汽车防侧翻方法进一步的优化方案，所述步骤3) 中控制汽车的四个车轮进行制动的具体步骤如下：

步骤3.2.1)，电子控制单元根据LTR和参考横向载荷转移率LTR_des，采用主动制动控制器计算出前左、前右、后左、后右轮胎的纵向力F_xfl、F_xfr、F_xrl、F_xrr，所述主动制动控制器的非线性模型为：

式中，F_yfl、F_yfr、F_yrl、F_yrr分别为前左、前右、后左、后右轮胎侧向力；

步骤3.2.2)，得到状态方程将其离散化：

其中U＝[F_xfl，F_xfr，F_xrl，F_xrr]^TC、D均为系数；

步骤3.2.3)，设计目标函数如下，计算出四个轮胎的制动力：

满足四个轮胎制动力约束：U_min≤U≤U_max

式中，Y₁(t)是t时刻***实际输出的LTR；Y_1c(t)是t时刻参考的LTR_des；P_h是预测时域；C_h是控制时域；U(t)是t时刻主动制动控制器输出的控制变量；S、W分别为目标函数第一项和第二项的权重矩阵，i为权重系数，为松弛因子；U_min为最小轮胎力，U_max为最大轮胎力；

步骤3.2.4)，控制器根据计算出的四个轮胎的制动力对四个车轮进行制动。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明提供了一种基于模型预测控制的汽车防侧翻方法，现有的防侧翻***大多采用主动转向或者差动制动，在控制器工作过程中，很少考虑控制效果带来其他影响，例如：驶入其他车道，偏离驾驶员意图。进而引发更大危险，本发明专利通过采用主动转向和主动制动及其切换控制模式，可根据行驶状态进行模式切换，实现防侧翻与跟踪路径的完美融合；

本发明所提出的侧翻评价指标相比较之前LTR获得方法，更加精确，考虑簧上质量与簧下质量对车身侧翻带来的不同影响，对防侧翻的控制效果起到更加精准的效果。

附图说明

图1为本发明专利***结构图；

图2为本发明的流程示意图；

图3为两个前轮进行转向的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

本发明的结构如图1所示，包括相互连接的传感器、电子控制单元和执行机构；所述的电子控制单元包括状态判定单元、状态识别单元和执行机构控制单元。状态判定单元和状态识别单元都与传感器相连接，所述的状态评价单元通过触发单元与所述状态识别单元连接，所述的状态识别单元通过所述执行机构控制单元(模型预测控制)连接所述执行机构；所述的执行机构单元的信息反馈给所述的电子控制单元。所述的执行机构为主动前轮转向机构和主动制动机构。

如图2所示，本发明公开了一种基于模型预测控制的汽车防侧翻方法，包含以下步骤：

步骤1)，测得车辆的前轮转角δ_f、车速v_r、横摆角速度β_r、横向位置y；

步骤2)，计算出车辆的横向载荷转移率LTR：

步骤2.1)，根据a_y＝v_rβ_r，计算出车辆的侧向加速度a_y

步骤2.2)，对y方向受力分析，获得侧倾角加速度

式中，m为汽车总质量；ms为簧上质量；e为簧载质量到侧倾中心的距离；为侧倾角加速度；k₁、k₂分别为车辆前后轮侧偏刚度；a、b分别为车辆质心到前后轴的距离；β为质心侧偏角；β_r为横摆角速度；

步骤2.3)，对x方向做力矩平衡：

式中，I_xs为汽车簧载质量绕车辆坐标系x轴的转动惯量；m_s为簧上质量；g为重力加速度，为车身为侧倾角，为侧倾刚度，为侧倾阻尼，为车身侧倾角速度；

步骤2.4)，对z方向做力矩平衡，获得横摆角加速度

其中，I_z为整车质量绕车辆坐标系z轴的转动惯量；为横摆角加速度；

步骤2.5)，建立三自由度车辆模型，并根据车速和转角求得当前状态车辆的侧倾角和侧倾角速度；

步骤2.5)，根据汽车侧翻过程中轮胎对路面的压力进行受力分析：

式中，F_R、F_L分别为右侧车轮纵向反力之和，左侧车轮纵向反力之和，T为轮距，m_d为簧下质量，h_d为簧下质量质心到地面距离；

步骤2.6)，由于横向载荷转移率且F_R+F_L＝mg，则：

步骤3)，将横向载荷转移率LTR和预设的横向载荷转移率阈值LTR_des作比较，将横向位置 Y和预设的参考横向位置Y_des的差值和η做比较，η为预设的最大差阈值：

当|(Y-Y_des)|＜η且LTR＜LTR_des时，不对车身状态进行调整；

当|(Y-Y_des)|＞η且LTR＜LTR_des时，控制汽车的两个前轮进行转向；

当|(Y-Y_des)|＜η且LTR＞LTR_des时，控制汽车的四个车轮进行制动，

当|(Y-Y_des)|＞η且LTR＞LTR_des时，控制汽车的两个前轮进行转向，同时控制汽车的四个车轮进行制动；

其中，如图3所示，控制汽车的两个前轮进行转向的具体步骤如下：

步骤3.1.1)，电子控制单元根据Y和参考横向位置Y_des、利用模型预测控制方法计算出相应的附加前轮转角δ_f：

步骤3.1.2)，建立主动前轮转向控制器的非线性模型：

式中：为纵向加速度；为横向车速；c₁，c₂分别为前后轮纵向刚度；s₁，s₂分别为前后轮滑移率；为横向加速度；为纵向车速；惯性坐标系横向速度；为惯性坐标系纵向速度；r为横摆角；

步骤3.1.3)，得到状态方程将其离散化：

其中u＝δ_f，A、B均为系数；

步骤3.1.4)，设计目标函数如下，计算出附加前轮转角：

满足前轮转角约束：δ_f,min≤δ_f≤δ_f,max

式中，Y(t)是t时刻***实际输出的横向位置；Y_c(t)是t时刻参考的横向位置；N_p是预测时域；N_c是控制时域；u(t)是t时刻主动前轮转向控制器输出的控制变量；δ_f为前轮转角，Q、R分别为目标函数第一项和第二项的权重矩阵，功能是为了使***尽快达到所预期的效果，p为权重系数，ε为松弛因子，目的是防止出现求解过程中没有最优解；δ_f,min为最小前轮转角，δ_fmax为最大前轮转角；

步骤3.1.5)，控制器根据计算出的附加前轮转角控制汽车的两个前轮进行转向；

控制汽车的四个车轮进行制动的具体步骤如下：

步骤3.2.1)，电子控制单元根据LTR和参考横向载荷转移率LTR_des，采用主动制动控制器计算出前左、前右、后左、后右轮胎的纵向力F_xfl、F_xfr、F_xrl、F_xrr，所述主动制动控制器的非线性模型为：

式中，F_yfl、F_yfr、F_yrl、F_yrr分别为前左、前右、后左、后右轮胎侧向力；

步骤3.2.2)，得到状态方程将其离散化：

其中U＝[F_xfl,F_xfr,F_xrl,F_xrr]^T，C、D均为系数；

步骤3.2.3)，设计目标函数如下，计算出四个轮胎的制动力：

满足四个轮胎制动力约束：U_min≤U≤U_max

式中，Y₁(t)是t时刻***实际输出的LTR；Y_1c(t)是t时刻参考的LTR_des；P_h是预测时域；C_h是控制时域；U(t)是t时刻主动制动控制器输出的控制变量；S、W分别为目标函数第一项和第二项的权重矩阵，功能是为了使***尽快达到所预期的效果，i为权重系数，为松弛因子，目的是防止出现求解过程中没有最优解；U_min为最小轮胎力，U_max为最大轮胎力；

步骤3.2.4)，控制器根据计算出的四个轮胎的制动力对四个车轮进行制动。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于模型预测控制的汽车防侧翻方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1)，测得车辆的前轮转角δ_f、车速v_r、横摆角速度β_r、横向位置y；

步骤2)，计算出车辆的横向载荷转移率LTR：

步骤3)，将横向载荷转移率LTR和预设的横向载荷转移率阈值LTR_des作比较，将横向位置Y和预设的参考横向位置Y_des的差值和η做比较，η为预设的最大差阈值：

当|(Y-Y_des)|＜η且LTR＜LTR_des时，不对车身状态进行调整；

当|(Y-Y_des)|＞η且LTR＜LTR_des时，控制汽车的两个前轮进行转向；

当|(Y-Y_des)|＜η且LTR＞LTR_des时，控制汽车的四个车轮进行制动，

当|(Y-Y_des)|＞η且LTR＞LTR_des时，控制汽车的两个前轮进行转向，同时控制汽车的四个车轮进行制动。

2.根据权利要求1所述的基于模型预测控制的汽车防侧翻方法，其特征在于，所述步骤2)的详细步骤如下：

步骤2.1)，根据a_y＝v_rβ_r，计算出车辆的侧向加速度a_y

步骤2.2)，对y方向受力分析，获得侧倾角加速度

式中，m为汽车总质量；m_s为簧上质量；e为簧载质量到侧倾中心的距离；为侧倾角加速度；k₁、k₂分别为车辆前后轮侧偏刚度；a、b分别为车辆质心到前后轴的距离；β为质心侧偏角；β_r为横摆角速度；

步骤2.3)，对x方向做力矩平衡：

式中，I_xs为汽车簧载质量绕车辆坐标系x轴的转动惯量；m_s为簧上质量；g为重力加速度，为车身为侧倾角，为侧倾刚度，为侧倾阻尼，为车身侧倾角速度；

步骤2.4)，对z方向做力矩平衡，获得横摆角加速度

其中，I_z为整车质量绕车辆坐标系z轴的转动惯量；为横摆角加速度；

步骤2.5)，建立三自由度车辆模型，并根据车速和转角求得当前状态车辆的侧倾角和侧倾角速度；

步骤2.5)，根据汽车侧翻过程中轮胎对路面的压力进行受力分析：

式中，F_R、F_L分别为右侧车轮纵向反力之和，左侧车轮纵向反力之和，T为轮距，m_d为簧下质量，h_d为簧下质量质心到地面距离；

步骤2.6)，由于横向载荷转移率且F_R+F_L＝mg，则：

。

3.根据权利要求2所述的基于模型预测控制的汽车防侧翻方法，其特征在于，所述步骤3)中控制汽车的两个前轮进行转向的具体步骤如下：

步骤3.1.1)，电子控制单元根据Y和参考横向位置Y_des、利用模型预测控制方法计算出相应的附加前轮转角δ_f：

步骤3.1.2)，建立主动前轮转向控制器的非线性模型：

式中：为纵向加速度；为横向车速；c₁，c₂分别为前后轮纵向刚度；s₁，s₂分别为前后轮滑移率；为横向加速度；为纵向车速；惯性坐标系横向速度；为惯性坐标系纵向速度；r为横摆角；

步骤3.1.3)，得到状态方程将其离散化：

其中u＝δ_f，A、B均为系数；

步骤3.1.4)，设计目标函数如下，计算出附加前轮转角：

满足前轮转角约束：δ_f,min≤δ_f≤δ_f,max

式中，Y(t)是t时刻***实际输出的横向位置；Y_c(t)是t时刻参考的横向位置；N_p是预测时域；N_c是控制时域；u(t)是t时刻主动前轮转向控制器输出的控制变量；δ_f为前轮转角，Q、R分别为目标函数第一项和第二项的权重矩阵，p为权重系数，ε为松弛因子；δ_f,min为最小前轮转角，δ_f，max为最大前轮转角；

步骤3.1.5)，控制器根据计算出的附加前轮转角控制汽车的两个前轮进行转向。

4.根据权利要求3所述的基于模型预测控制的汽车防侧翻方法，其特征在于，所述步骤3)中控制汽车的四个车轮进行制动的具体步骤如下：

步骤3.2.1)，电子控制单元根据LTR和参考横向载荷转移率LTR_des，采用主动制动控制器计算出前左、前右、后左、后右轮胎的纵向力F_xfl、F_xfr、F_xrl、F_xrr，所述主动制动控制器的非线性模型为：

式中，F_yfl、F_yfr、F_yrl、F_yrr分别为前左、前右、后左、后右轮胎侧向力；

步骤3.2.2)，得到状态方程将其离散化：

其中U＝[F_xfl,F_xfr,F_xrl,F_xrr]^T，C、D均为系数；

步骤3.2.3)，设计目标函数如下，计算出四个轮胎的制动力：

满足四个轮胎制动力约束：U_min≤U≤U_max

式中，Y₁(t)是t时刻***实际输出的LTR；Y_1c(t)是t时刻参考的LTR_des；P_h是预测时域；C_h是控制时域；U(t)是t时刻主动制动控制器输出的控制变量；S、W分别为目标函数第一项和第二项的权重矩阵，i为权重系数，为松弛因子；U_min为最小轮胎力，U_max为最大轮胎力；

步骤3.2.4)，控制器根据计算出的四个轮胎的制动力对四个车轮进行制动。