CN111444577A - 一种电动大客车自动避让方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动大客车自动避让方法，涉及智能汽车技术领域，技术方案为，构建车辆动力学模型，车辆动力学模型选用自由度车辆动力学模型；通过魔术公式轮胎模型进行线性轮胎侧偏刚度的估计；获得自由度车辆动力学状态模型；进行车辆避让路径规划；构建滑摸自抗扰控制器；结合现有的车辆避让***，滑模自抗扰控制器通过控制车辆前轮转角对障碍物进行避让。本发明的有益效果是：本方案通过控制车辆横摆角速度变化，设计线性滑模自抗扰控制器，更加简单可行，采用线性扩张状态观测器能够观测和补偿外界干扰和模型不确定性，满足鲁棒性要求。

Description

一种电动大客车自动避让方法

技术领域

本发明涉及智能汽车技术设备领域，特别涉及一种电动大客车自动避让方法。

背景技术

紧急避让技术是汽车实现自主驾驶的关键技术之一，能够有效提高汽车高速躲避障碍物的能力，大大提高了道路运输效率。车辆运动控制包括纵向和横向控制，纵向控制主要通过控制车辆速度实现，横向控制主要研究汽车高速转向时路径跟踪能力和行驶稳定性。由于外界环境参数变化和车辆高速时强非线性特性，汽车高速转向路径跟踪控制仍然是实现汽车自主驾驶的难点[1]。随着新能源汽车的快速发展，电动汽车保有量越来越大，电动汽车横向控制问题成为当前社会的研究热点。

针对汽车横向运动控制，国内外学者采用PID控制、前馈+反馈控制、最优控制理论、Gauss伪谱法、鲁棒控制等方法解决横向路径跟踪问题。PID控制简单容易实现，但对外界干扰抑制能力不足；最优控制、鲁棒控制则依赖被控对象模型的精度，控制复杂不容易实现。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种电动大客车自动避让方法。

其技术方案为，包括，

S1、构建车辆动力学模型，车辆动力学模型选用自由度车辆动力学模型；

自由度车辆动力学模型可以准确地反映车辆的横向动力学特性。忽略转向***的影响、忽略悬架的作用、忽略路面不平和空气阻力影响。

S2、通过魔术公式轮胎模型进行线性轮胎侧偏刚度的估计；

S3、结合S1和S2，获得自由度车辆动力学状态模型；

S4、进行车辆避让路径规划；

S5、构建滑摸自抗扰控制器；

S6、结合现有的车辆避让***，所述S5的滑模自抗扰控制器通过控制车辆前轮转角对障碍物进行避让。

优选为，所述S1的车辆动力学模型为，

∑F_Y:ma_y＝F_Y1cosδ_f+F_Y2；

其中：m为车辆质量；l_f、l_r为车辆质心到前后轴的距离；a_y为车辆质心处侧向加速度；F_r1和F_r2为车辆前后轮胎受到的侧向力；γ为车辆质心横摆角速度；δ_f为前轮转角。

优选为，所述S2通过魔术公式轮胎模型进行线性轮胎侧偏刚度的估计具体为，忽略载荷转移，假定左右两侧轮胎侧偏角相等，前后轮侧向力为：

式中：c_f、c_r为前后轮侧偏刚度；α₁、α₂为前后轮侧偏角；

前后轮胎侧偏刚度为：

车辆前后轮侧偏角满足：

式中：β为车辆质心侧偏角；γ为车辆质心横摆角速度；u为质心处纵向速度。

优选为，所述S3中自由度车辆动力学状态方程为：

对自由度车辆动力学状态方程进行拉普拉斯变化，传递函数公式为：

其中，a＝muI_z；

c＝c_fc_r(l_f+l_r)²/u-mu(l_fc_f-l_rc_r)；

d＝muc_fl_f；

e＝c_fc_r(l_f+l_r)。

优选为，所述S4进行车辆避让路径规划具体为，紧急避让车速较高(>80km/h)，避让路径需要满足车辆动力学特性要求，同时需要满足避障约束、曲率连续约束、转向速度约束和侧向加速度约束；

通过三次B样条曲线对规划的避让路径进行曲率拟合，规划的路径满足上述约束条件，以汽车质心为参考点，避让路径规划符合如下关系式：

其中，R₁为车辆质心转弯半径；R₂为车辆右前方转弯半径；dy为质心侧向位移；dx为车辆纵向位移；S_steer为最小避让距离；θ为车辆质心转过的角度；yH为障碍物左侧宽度；y_E为完成整个避让过程侧向位移；V为车辆质心处纵向速度；μ_m路面附着系数；g重力加速度；此处限制极限工况下，仅有67％侧向加速度被利用。

优选为，所述S5构建滑摸自抗扰控制器具体为，

根据所述自由度车辆动力学状态方程进行拉普拉斯变化得到的传递函数公式进行拉普拉斯反变换得：

令γ＝x₁；

从而得到，

将上式化成积分器串联型***，即标准形式：

构建路径跟踪控制器，路径跟踪控制器包括线性扩展状态观测器，扩张状态观测器可表示为：

其中，[z₁,z₂,z₃]^T是扩张状态[x₁,x₂,x₃]^T的估计值，[l₁,l₂,l₃]为设计参数；

从而得到，线性扩张状态观测器离散形式如下所示：

其中执行机构控制量u可以表示为：

u(k+1)＝u₀(k+1)-z₃(k+1)/b₀；

线性误差反馈控制律可以表示成如下形式：

u₀＝k_pe₁+k_de₂；

其中k_p,k_d是PD控制的比利系数,PD控制实质为对二阶***做一步类似于滑动模态的设计。

优选为，对于高阶***，可将其视为滑动模态的递归迭代设计；所述线性误差反馈控制律可以改写为：

u₀＝k₂(k₁e₁+e₂)；

其中，k₁，k₂为设计参数，该控制律中，1/k₁为***收敛的时间常数，其值越大收敛越快，可以根据设计者对***的要求计算出k₁值，过大的k₁会造成***超调及震荡；k₂直接决定了控制输入的响应时间，其值越大，控制输入响应越快。

根据所述电动大客车自动避让方法的一种控制器避让效果验证方法，首先搭建纯电动大客车模型；然后采用商用车动力学模型仿真软件Trucksim和Simulink联合仿真方法进行控制器效果验证。

优选为，所述纯电动大客车模型的搭建具体为，商用车动力学模型仿真软件Trucksim可以建立发动机特性、变速器特性和转向***特性，对于加速踏板特性、制动踏板特性、电机转矩特性等需要从Simulink外接输入；

针对后驱电动汽车模型搭建，动力由汽车后轴直接输入，对Trucksim传统车辆模型进行修改，断开Trucksim所建立的传统车辆仿真模型的动力传递，将电机转矩直接加载至车轮/半轴。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本方案通过控制车辆横摆角速度变化，设计线性滑模自抗扰控制器，更加简单可行，采用线性扩张状态观测器能够观测和补偿外界干扰和模型不确定性，满足鲁棒性要求。

附图说明

图1为本发明实施例的车辆自由度模型。

图2为本发明实施例的线性轮胎模型与魔术公式轮胎模型。

图3为本发明实施例的避让路径示意图。

图4为本发明实施例的避让路径曲线图。

图5为本发明实施例的避让路径横摆角速度变化图。

图6为本发明实施例的路径跟踪控制器。

图7为本发明实施例的路径跟踪控制原理框图。

图8为本发明实施例的Trucksim动力***设置图。

图9为本发明实施例的Trucksim整车结构参数图。

图10为本发明实施例的联合仿真框图。

图11为本发明实施例的阶跃阵风图。

图12为本发明实施例的路径跟踪图。

图13为本发明实施例的前轮转角变化图。

图14为本发明实施例的横摆角速度变化图。

图15为本发明实施例的线性扩张状态观测器输出图。

图16为本发明实施例的车辆高速避让过程演示图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。当然，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

本发明提供一种电动大客车自动避让方法，包括，

S1、构建车辆动力学模型，车辆动力学模型选用自由度车辆动力学模型；

自由度车辆动力学模型可以准确地反映车辆的横向动力学特性。忽略转向***的影响、忽略悬架的作用、忽略路面不平和空气阻力影响，图1为车辆自由度模型。

车辆动力学方程为：为，

∑F_Y:ma_y＝F_Y1cosδ_f+F_Y2；

其中：m为车辆质量；l_f、l_r为车辆质心到前后轴的距离；a_y为车辆质心处侧向加速度；F_r1和F_r2为车辆前后轮胎受到的侧向力；γ为车辆质心横摆角速度；δ_f为前轮转角。

S2、通过魔术公式轮胎模型进行线性轮胎侧偏刚度的估计；忽略载荷转移，假定左右两侧轮胎侧偏角相等，前后轮侧向力为：

式中：c_f、c_r为前后轮侧偏刚度；α₁、α₂为前后轮侧偏角；

前后轮胎侧偏刚度为：

基于205/55R16型号轮胎参数，计算得到的魔术公式轮胎模型和线性轮胎模型如图2所示。

车辆前后轮侧偏角满足：

式中：β为车辆质心侧偏角；γ为车辆质心横摆角速度；u为质心处纵向速度。

S3、结合S1和S2，获得自由度车辆动力学状态模型；自由度车辆动力学状态方程为：

对自由度车辆动力学状态方程进行拉普拉斯变化，传递函数公式为：

其中，a＝muI_z；

c＝c_fc_r(l_f+l_r)²/u-mu(l_fc_f-l_rc_r)；

d＝muc_fl_f；

e＝c_fc_r(l_f+l_r)。

S4、进行车辆避让路径规划；紧急避让车速较高(>80km/h)，避让路径需要满足车辆动力学特性要求，同时需要满足避障约束、曲率连续约束、转向速度约束和侧向加速度约束；

通过三次B样条曲线对规划的避让路径进行曲率拟合，规划的路径满足上述约束条件，以汽车质心为参考点，整个避让路径如图3所示，由图3可以得到避让路径规划符合如下关系式：

其中，R₁为车辆质心转弯半径；R₂为车辆右前方转弯半径；dy为质心侧向位移；dx为车辆纵向位移；S_steer为最小避让距离；θ为车辆质心转过的角度；yH为障碍物左侧宽度；y_E为完成整个避让过程侧向位移；V为车辆质心处纵向速度；μ_m路面附着系数；g重力加速度；此处限制极限工况下，仅有67％侧向加速度被利用。

当车速V＝32m/s，μ_m＝0.8，yH＝1.75m时，路径规划结果如图4规划的避让路径，和图5的路径横摆角速度变化。

S5、构建滑摸自抗扰控制器；根据所述自由度车辆动力学状态方程进行拉普拉斯变化得到的传递函数公式进行拉普拉斯反变换得：

令γ＝x₁；

从而得到，

将上式化成积分器串联型***，即标准形式：

构建路径跟踪控制器，路径跟踪控制器包括线性扩展状态观测器，扩张状态观测器可表示为：

其中，[z₁,z₂,z₃]^T是扩张状态[x₁,x₂,x₃]^T的估计值，[l₁,l₂,l₃]为设计参数；

从而得到，线性扩张状态观测器离散形式如下所示：

其中执行机构控制量u可以表示为：

u(k+1)＝u₀(k+1)-z₃(k+1)/b₀；

线性误差反馈控制律可以表示成如下形式：

u₀＝k_pe₁+k_de₂；

其中k_p,k_d是PD控制的比利系数,PD控制实质为对二阶***做一步类似于滑动模态的设计。

对于高阶***，可将其视为滑动模态的递归迭代设计；所述线性误差反馈控制律可以改写为：

u₀＝k₂(k₁e₁+e₂)；

其中，k₁，k₂为设计参数，该控制律中，1/k₁为***收敛的时间常数，其值越大收敛越快，可以根据设计者对***的要求计算出k₁值，过大的k₁会造成***超调及震荡；k₂直接决定了控制输入的响应时间，其值越大，控制输入响应越快。

S6、结合现有的车辆避让***，所述S5的滑模自抗扰控制器通过控制车辆前轮转角对障碍物进行避让。

通过仿真试验的方法对本方案的技术内容进行验证，首先搭建纯电动大客车模型，然后结合所述S5的滑摸自抗扰控制器和所述纯电动大客车模型，进行联合仿真试验；

搭建纯电动大客车模型的方法为，采用商用车动力学模型仿真软件Trucksim建立大客车模型的发动机特性、变速器特性和转向***特性，对于加速踏板特性、制动踏板特性、电机转矩特性等需要从Simulink外接输入。

表1电机参数

Trucksim作为成熟的商业软件，目前只有针对传统车辆完整的仿真模型，即动力由发动机经过传动系传至车轮。本方案设计的后驱电动汽车动力由汽车后轴直接输入，需要对Trucksim传统车辆模型进行修改。断开Trucksim所建立的传统车辆仿真模型的动力传递，将电机转矩直接加载至车轮/半轴，Trucksim中动力***设置方法如图8所示。

Trucksim整车结构参数如图9所示。

首先进行联合仿真设置，为了验证本文建立的线性滑模路径跟踪控制器控制效果，采用商用车动力学模型仿真软件Trucksim和Simulink联合仿真方法进行控制器效果验证。其中，联合仿真结构框架如图10所示；

为了实现Trucksim与Simulink联合仿真，需要对Trucksim车辆模型与Simulink路径跟踪控制器模型的输入输出参数接口进行设置，如表2所示；

表2输入输出参数

以Trucksim提供的Tour Bus传统车为基础设计后轴驱动纯电动大客车。其中车辆主要参数如表3所示。

表3车辆参数

仿真结果为：

大客车在路面附着系数为0.8的路面上，以纵向速度32m/s行驶时，设定侧向风最大速度为50km/h，其中阶跃阵风如图11所示。

在此取ω₀＝30；参数b₀为控制增益，b₀＝464；k₁，k₂为设计参数，根据***的响应要求进行调整，其中：k₁＝20；k₂＝10。图12为车辆受到侧向风干扰时，路径跟踪效果曲线，可以看出即使存在侧向风干扰，车辆依然能够很好的跟踪规划的理想避让路径。

图13为高速避让过程中车辆左右前轮转角变化情况；由图14可以看出，车辆实际横摆角速度能够跟踪理想横摆角速度变化，并且具有跟踪速度快，超调小等优点。侧向风干扰可以通过线性扩张状态观测器观测出来，如图15所示。

为了真实显示整个避让过程中车辆的运动情况，通过Trucksim软件输出车辆实时运动轨迹，如图16所示，汽车能够安全无碰撞的避让前方车辆。

结论

(1)Trucksim能够真实模拟车辆运动情况，通过与Simulink联合仿真可以方便快捷进行控制器设计开发。

(2)通过控制车辆横摆角速度变化，设计线性滑模自抗扰控制器，方法简单可行。

(3)线性扩张状态观测器能够将外界干扰—侧向风观测出来并且补偿掉，保证***鲁棒性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种电动大客车自动避让方法，其特征在于，包括，

S1、构建车辆动力学模型，车辆动力学模型选用自由度车辆动力学模型；

S2、通过魔术公式轮胎模型进行线性轮胎侧偏刚度的估计；

S3、结合S1和S2，获得自由度车辆动力学状态模型；

S4、进行车辆避让路径规划；

S5、构建滑摸自抗扰控制器；

S6、结合现有的车辆避让***，所述S5的滑模自抗扰控制器通过控制车辆前轮转角对障碍物进行避让。

2.根据权利要求1所述的电动大客车自动避让方法，其特征在于，所述S1的车辆动力学模型为，

∑F_Y:ma_y＝F_Y1cosδ_f+F_Y2；

其中：m为车辆质量；l_f、l_r为车辆质心到前后轴的距离；a_y为车辆质心处侧向加速度；F_r1和F_r2为车辆前后轮胎受到的侧向力；γ为车辆质心横摆角速度；δ_f为前轮转角。

3.根据权利要求2所述的电动大客车自动避让方法，其特征在于，所述S2通过魔术公式轮胎模型进行线性轮胎侧偏刚度的估计具体为，前后轮侧向力为：

式中：c_f、c_r为前后轮侧偏刚度；α₁、α₂为前后轮侧偏角；

前后轮胎侧偏刚度为：

车辆前后轮侧偏角满足：

式中：β为车辆质心侧偏角；γ为车辆质心横摆角速度；u为质心处纵向速度。

4.根据权利要求3所述的电动大客车自动避让方法，其特征在于，所述S3中自由度车辆动力学状态方程为：

对自由度车辆动力学状态方程进行拉普拉斯变化，传递函数公式为：

其中，a＝muI_z；

c＝c_fc_r(l_f+l_r)²/u-mu(l_fc_f-l_rc_r)；

d＝muc_fl_f；

e＝c_fc_r(l_f+l_r)。

5.根据权利要求4所述的电动大客车自动避让方法，其特征在于，所述S4进行车辆避让路径规划具体为，

以汽车质心为参考点，避让路径规划符合如下关系式：

其中，R₁为车辆质心转弯半径；dy为质心侧向位移；dx为车辆纵向位移；V为车辆质心处纵向速度；μ_m路面附着系数；g重力加速度；此处限制极限工况下，仅有67％侧向加速度被利用。

6.根据权利要求5所述的电动大客车自动避让方法，其特征在于，所述S5构建滑摸自抗扰控制器具体为，

根据所述自由度车辆动力学状态方程进行拉普拉斯变化得到的传递函数公式进行拉普拉斯反变换得：

令γ＝x₁；

从而得到，

将上式化成积分器串联型***，即标准形式：

构建路径跟踪控制器，路径跟踪控制器包括线性扩展状态观测器，扩张状态观测器可表示为：

其中，[z₁,z₂,z₃]^T是扩张状态[x₁,x₂,x₃]^T的估计值，[l₁,l₂,l₃]为设计参数；

从而得到，线性扩张状态观测器离散形式如下所示：

其中执行机构控制量u可以表示为：

u(k+1)＝u₀(k+1)-z₃(k+1)/b₀；

线性误差反馈控制律可以表示成如下形式：

u₀＝k_pe₁+k_de₂；

其中k_p,k_d是PD控制的比利系数。

7.根据权利要求6所述的电动大客车自动避让方法，其特征在于，所述线性误差反馈控制律为：

u₀＝k₂(k₁e₁+e₂)；

其中，k₁，k₂为设计参数。

8.根据权利要求7所述的电动大客车自动避让方法的一种控制器避让效果验证方法，其特征在于，搭建纯电动大客车模型；

采用商用车动力学模型仿真软件Trucksim和Simulink联合仿真方法进行控制器效果验证。

9.根据权利要求8所述的控制器避让效果验证方法，其特征在于，所述纯电动大客车模型的搭建具体为，商用车动力学模型仿真软件Trucksim建立发动机特性、变速器特性和转向***特性，对于加速踏板特性、制动踏板特性、电机转矩特性从Simulink外接输入；

针对后驱电动汽车模型搭建，动力由汽车后轴直接输入，对Trucksim传统车辆模型进行修改，断开Trucksim所建立的传统车辆仿真模型的动力传递，将电机转矩直接加载至车轮/半轴。

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