CN113460055B - 在线的车辆行驶控制区域划分及区域边界估计方法 - Google Patents

Abstract

一种在线的车辆行驶控制区域划分及区域边界估计方法，属于车辆安全技术领域。本发明的目的是根据驾驶员行为及行驶路况信息，考虑车辆横‑纵‑垂向动力学特性，在线得到关于质心侧偏角和横摆角速度控制区域的在线的车辆行驶控制区域划分及区域边界估计方法。本发明步骤是：软件联合仿真设置及车辆模型搭建；车辆行驶控制区域划分及边界估计。本发明将控制区域划分为稳定区、不稳定区和作为过渡区域的临界稳定区，并为不同的区域赋予不同的控制需求，可以更好地开发控制区域在稳定性控制中的应用潜能。

Description

在线的车辆行驶控制区域划分及区域边界估计方法

技术领域

本发明属于车辆安全技术领域。

背景技术

在车辆行驶过程中，车辆状态会根据道路情况以及驾驶员行为实时变化，对于车辆稳定性，可将直观反映操纵性和稳定性的车辆状态描述为控制区域，并可根据稳定性边界条件划分出稳定区域、不稳定区域等，从而在车辆稳定控制中予以应用。横摆角速度和质心侧偏角等作为体现车辆横摆及侧向运动的重要状态，通常可利用关于它们的控制区域可来描述车辆操纵性能和侧向稳定性，目前对于车辆行驶控制区域划分及区域边界估计的研究存在以下问题：

1、现有的车辆行驶控制区域，大多采用由质心侧偏角和质心侧偏角速度构成的相平面，并根据其变化特性划分出稳定区域，而对于运动中的车辆，尤其在极限工况下，这种离线的区域无法实时地提供可靠的车辆安全性评价。

2、对控制区域进行划分，可根据车辆动力学特性得到各区域的边界条件，而多数现有的控制区域划分方法只考虑了车辆的侧向运动，没有考虑其它方向上的动力学，以及各个方向之间动力学的耦合，这会使得区域边界的估计及区域划分不够准确。

3、在控制区域应用方面，多数的现有方法只是将控制区域笼统的划分为稳定区和不稳定区，并在不同的区域也只考虑相同的所要达到的控制性能，这限制了控制区域在车辆稳定性控制中的应用潜能。

发明内容

本发明的目的是根据驾驶员行为及行驶路况信息，考虑车辆横-纵-垂向动力学特性，在线得到关于质心侧偏角和横摆角速度控制区域的在线的车辆行驶控制区域划分及区域边界估计方法。

本发明步骤是：

S1、软件联合仿真设置及车辆模型搭建；

S2、车辆行驶控制区域划分及边界估计

(1)稳定区域边界估计

①车辆动力学模型建立

②轮胎模型

③非线性模型局部线性化

(2)控制区域划分

①过渡区形成及区域划分

关于β和γ的区域会随驾驶员的转向、驱动/制动行为，以及路况信息实时更新并相应的改变，当前区间内最低车速下的边界形成的区域，定义为该车速区间下的稳定区域R1；以及当前区间内最高车速条件下的边界，该边界以外的区域为当前车速区间下的不稳定区域R3，且该边界形成的内部区域会与刚刚得到的稳定区域R1重叠，将不重叠的区域部分定义为临界稳定区 R2，作为稳定区与不稳定区的过渡区域；当前车辆状态(β,γ)所处区域，则在各区域关于车辆稳定性的控制需求变化，各区域控制需求变化如下：

对各区域控制需求的介绍如下：在稳定区域R1，此时车辆的操纵性和侧向稳定性已可被保证，故在该区域可考虑轮胎纵向防滑性能，防止轮胎打滑抱死，并考虑能量消耗；当车辆状态进入临界稳定区域R2，应尽可能地保证车辆状态能够回到稳定区，故增加关于操纵稳定性和侧向稳定性的控制需求，且随着车辆状态在R2中逐渐远离R1，对轮胎纵向防滑和能量消耗的需求重心也应逐渐转移到车辆的操纵稳定性和侧向稳定性上；而在不稳定区域R3中时，首要的控制需求则为保证操纵性和侧向稳定性从而保证驾驶安全；

②区域位置判断

对控制区域的划分，需要实时地判断当前车辆状态(β,γ)所属的区域位置，从而判断车辆当前状态所需要满足的控制需求，若已知当前的车辆状态(β,γ)，且已知拟合的各边界上的β_mat和γ_mat均是一一对应的，则各边界可写成质心侧偏角关于横摆角速度的函数β_mat(γ_mat)，故可以通过函数β_mat(γ_mat)得到各边界a_in,b_in,a_out,b_out,c,d在当前γ下的β值，即可得到各边界上对于该γ值的坐标分别为 (β_ain,γ),(β_bin,γ),(β_aout,γ),(β_bout,γ),(β_c,γ),(β_d,γ)，将它们的横坐标值分别与车辆反馈回的β值进行比较，即通过下列关系判断当前车辆状态(β,γ)所处区域：

若已知车辆当前的质心侧偏角和横摆角速度(β,γ)，即可根据关系(12)确定车辆当前所属控制区域。

本发明有益效果是：

1、本发明采用由横摆角速度和质心侧偏角构成的控制区域，可更好地描述车辆的操纵性和稳定性，且各区域边界可随驾驶员行为及路面信息实时变化，相较于使用离线相平面区域的多数传统控制方法，可以提供更加可靠的车辆安全性评价；

2、多数区域估计方法只考虑了车辆的侧向运动动力学，而忽略了其它方向以及它们之间的耦合特性，本发明基于车辆横-纵-垂向动力学特性，并考虑路况对垂向载荷的影响，可使得区域估计的更为准确以便于应用；

3、本发明将控制区域划分为稳定区、不稳定区和作为过渡区域的临界稳定区，并为不同的区域赋予不同的控制需求，可以更好地开发控制区域在稳定性控制中的应用潜能。

附图说明

图1是本发明流程图；

图2是本发明车辆动力学模型示意图；

图3是本发明不同路面附着系数的侧向力与侧偏角的关系；

图4是本发明控制区域边界示意图，此时车辆以V_x＝60km/h行驶于路面附着系数为0.35的平直路，其中实线为可控条件边界，虚线为稳定条件边界，纵坐标为横摆角速度，单位为rad/s，横坐标为质心侧偏角，单位为rad；

图5是本发明控制区域边界及区域划分示意图，此时车辆行驶于路面附着系数为0.35的平直路，车速处于60-65km/h区间，其中实线为可控条件边界，双划线为速度为60km/h时得到的稳定条件内边界，点划线为速度为65km/h时得到的稳定条件外边界，内边界与可控边界构成的区域为稳定区域R1，内外边界构成的区域为临界稳定区R2，其他部分均看作不稳定区R3；

图6是本发明当车速处于60-65km/h区间，方向盘转角为45度，路面无坡度、附着系数为 0.35时的控制区域划分及其边界情况；

图7是本发明当车速处于75-80km/h区间，无转向行为，路面无坡度、附着系数为0.35时的控制区域划分及其边界情况；

图8是本发明所述的当车速处于60-65km/h区间，无转向行为，路面无坡度、附着系数为0.8 时的控制区域划分及其边界情况；

图9是本发明当车速处于60-65km/h区间，无转向行为，路面合成坡度为6％、附着系数为0.35 时的控制区域划分及其边界情况。

具体实施方式

本发明所述的控制区域划分及边界估计方法的流程图如图1所示，其中路面环境信息以及车辆测量状态均从车辆动力学仿真软件CarSim中采集，建立车辆横摆及侧向运动动力学模型，利用非线性轮胎模型描述轮胎侧向力，并通过泰勒展开和局部线性化对非线性车辆动力学模型进行局部线性化，基于轮胎模型中轮胎力与侧偏角的关系筛选出符合稳定性条件的横摆角速度和质心侧偏角，将它们拟合形成区域边界；再将各个速度区间的边界进行合成，可将区域划分为稳定区、临界稳定区和不稳定区，各区域边界可根据驾驶员行为以及路况信息在线估计得到，并且各个区域对应着不同的车辆稳定性控制需求。本发明中车辆模型和仿真工况是在CarSim中构建的，其他则均是在MATLAB/Simulink中构建的。

本发明的目标是，实现车辆行驶过程中控制区域的划分以及各划分区域边界的实时估计。

本发明提供了一套基于以上运行原理和运行过程的装置。搭建以及运行过程如下：

1、软件联合仿真设置及车辆模型搭建

该控制***的控制器和被控对象的仿真模型分别通过软件MATLAB/Simulink和CarSim进行搭建，软件版本分别为MATLAB R2016a和CarSim 2016.1，仿真步长为0.001s。要实现MATLAB/Simulink和CarSim 的联合仿真，首先要把CarSim的工作路径设为指定的Simulink Model，然后将在CarSim中把设置好的车辆模型和道路信息添加到Simulink中，运行Simulink从而实现两者的联合仿真与通信。如果对CarSim中的模型结构或者参数设置进行了修改，则需要重新发送。

CarSim作为高保真车辆动力学软件用来模拟真实的被控对象，本发明所使用的车辆模型是基于东风A60构建的，其参数如表一所示。

表一车辆模型参数表

2、车辆行驶控制区域划分及边界估计

如前所述，本发明基于车辆横-纵-垂向动力学特性，根据驾驶员行为以及路况信息在线得到关于横摆角速度和质心侧偏角的各控制区域边界。首先建立非线性车辆动力学模型和轮胎模型，并将其进行局部线性化，筛选出合理的满足***稳定性的横摆角速度和质心侧偏角，将它们拟合为区域边界，形成的区域则作为稳定区域，在该区域内车辆的操纵稳定性和侧向稳定性可有效保证，更需要考虑车辆防滑等性能；然后，将各车速区间得到的稳定区域边界进行合成，即可形成一个稳定区和不稳定区之间的过渡区域，称为临界稳定区，在该区域需保证车辆操纵性和纵侧向稳定性，并要尽量使车辆回到稳定区域；而其余区域作为不稳定区域，在此区域车辆的操纵稳定性应为需首要保证的性能。

本发明关于控制区域划分和边界估计的具体方法介绍如下：

1)稳定区域边界估计

①车辆动力学模型建立

首先，考虑车辆横摆及侧向运动建立动力学模型，其示意图如图2所示，模型描述如下：

其中，β为车辆质心侧偏角，γ为车辆横摆角速度，δ_f为前轮转角，F_y代表轮胎侧向力，下标 i∈{f,r},j∈{l,r}的组合ij∈{fl,fr,rl,rr}分别代表左前、右前、左后和右后车轮。

②轮胎模型

本发明为了更准确地描述轮胎侧向力，采用了Fiala轮胎模型，该模型以轮胎侧偏角作为内部变量，可以更好地反映轮胎力的饱和非线性特性，其计算可描述如下：

其中，μ为路面附着系数，F_z为垂直载荷，C_i是轮胎前轮或后轮的额定侧偏刚度；α为轮胎侧偏角，其计算如下所示：

轮胎垂向载荷

其计算考虑车辆在转弯时、斜坡上的载荷重新分配，其中a_x,a_y分别代表纵、侧向加速度，

为侧倾角，η_h,η_c分别代表侧、纵向道路坡度，具体计算如下：

其中，

为合成道路坡度，h_φ是侧倾力臂，

是侧倾角，

为前后悬架侧倾角刚度， k_l＝-k_r＝-1，这样计算可以更准确地考虑轮胎垂向载荷在复杂路面上的分配情况。

不同路面附着系数的侧向力与侧偏角的关系如图3所示，轮胎侧向力关于侧偏角的偏导值可看作为瞬态的在当前侧偏角下的轮胎侧偏刚度。

③非线性模型局部线性化

通过泰勒展开将车辆动力学模型(1)进行局部线性化，描述为下列关于线性化点和增量的形式：

其中，

β_o、γ_o和δ_fo分别表示各值的线性化点，

Δβ、Δγ、Δδ_f分别表示各值的增量，公式(5)中增量部分可描述为如下形式：

其中，

在求偏导过程中，只将侧向力看作为关于侧偏角的函数，故

即根据轮胎模型(2)中侧向力对侧偏角的偏导可得到轮胎侧偏刚度C_α。

根据公式(3)可得α对β和γ的偏导分别如下：

再根据公式(1)和(7)。

整理后可得到：

通过求解矩阵

的特征值，可得到***的稳定性条件为

即***的稳定条件和可控条件为：

C_αfl+C_αfr≠0, (10)

根据边界条件(9)和(10)，由轮胎模型(2)中轮胎力与侧偏角的关系得到轮胎侧偏刚度，从中筛选出符合条件的C_αfl和C_αfr，并对应得到侧偏角α_fl和α_fr，然后通过如下变化转换为符合条件的质心侧偏角和横摆角速度：

绘制所有符合条件的点(β_mat,γ_mat)，并将这些点进行拟合作为控制区域的边界。以车辆行驶在路面附着系数为0.35的平直路，速度为60km/h为例，绘制此时的控制区域边界如图4所示，其中虚线为稳定条件边界，也代表过度转向边界；实线为可控条件边界，也代表不足转向边界。

2)控制区域划分

①过渡区形成及区域划分由上述边界得到的关于β和γ的区域会随驾驶员的转向、驱动/制动行为，以及路况信息实时更新并相应的改变。通过分析验证可知，该区域会随车速增大而扩大，随车辆转向而发生平移，随路面附着系数的降低而减小，受坡度变化影响较小。为了提高在线得到控制区域边界的实时性，我们将车速划分为50-55km/h, 55-60km/h,60-65km/h,65-70km/h,70-75km/h,75-80km/h几个区间，并将在当前区间内各个车速下得到的稳定条件边界进行合成，于是可得到当前区间内最低车速下的边界形成的区域，定义为该车速区间下的稳定区域R1；以及当前区间内最高车速条件下的边界，该边界以外的区域为当前车速区间下的不稳定区域R3，且该边界形成的内部区域会与刚刚得到的稳定区域R1重叠，将不重叠的区域部分定义为临界稳定区R2，作为稳定区与不稳定区的过渡区域。

为了更直观地定义说明各个区域，以车辆行驶在路面摩擦系数为0.35的平直路，且车速在 60-65km/h内为例，绘制该车速区间的控制区域如图5所示，a_in与b_in为V_x＝60km/h时得到的稳定条件边界，称为内边界；a_out与b_out为V_x＝65km/h时得到的稳定条件边界，称为外边界；c和d为可控条件边界；并定义内边界与可控边界构成的区域为稳定区域R1，内外边界构成的区域为临界稳定区R2，其他部分均看作不稳定区R3。

如前所述，对于各个区域，需要考虑不同的控制需求，若已知当前车辆状态(β,γ)所处区域，则在各区域关于车辆稳定性的控制需求变化如下表所示。

表二各区域控制需求变化

结合表二对各区域控制需求的介绍如下：在稳定区域R1，此时车辆的操纵性和侧向稳定性已可被保证，故在该区域可考虑轮胎纵向防滑性能，防止轮胎打滑抱死，并考虑能量消耗；当车辆状态进入临界稳定区域R2，应尽可能地保证车辆状态能够回到稳定区，故增加关于操纵稳定性和侧向稳定性的控制需求，且随着车辆状态在R2中逐渐远离R1，对轮胎纵向防滑和能量消耗的需求重心也应逐渐转移到车辆的操纵稳定性和侧向稳定性上；而在不稳定区域R3中时，首要的控制需求则为保证操纵性和侧向稳定性从而保证驾驶安全。以上这些控制需求在不同区域中的切换可通过控制器设计中的目标函数及其权重值，以及约束条件的改变与调节来实现。

②区域位置判断

基于上述对控制区域的划分，需要实时地判断当前车辆状态(β,γ)所属的区域位置，从而判断车辆当前状态所需要满足的控制需求。若已知当前的车辆状态(β,γ)，且已知拟合的各边界上的β_mat和γ_mat均是一一对应的，则各边界可写成质心侧偏角关于横摆角速度的函数β_mat(γ_mat)，故可以通过函数β_mat(γ_mat)得到各边界a_in,b_in,

在当前γ下的β值，即可得到各边界上对于该γ值的坐标分别为 (β_ain,γ),(β_bin,γ),(β_aout,γ),(β_bout,γ),(β_c,γ),(β_d,γ)，将它们的横坐标值分别与车辆反馈回的β值进行比较，即可通过下列关系判断当前车辆状态(β,γ)所处区域：

综上，若已知车辆当前的质心侧偏角和横摆角速度(β,γ)，即可根据关系(12)确定车辆当前所属控制区域。另外，对于不同道路信息及驾驶员行为，表三列出了一些驾驶情况，这些情况下控制区域的划分及各区域边界如图6-9所示，可看出本发明提出的方法可实时地根据道路信息及驾驶员行为的变化而变化，并为车辆稳定性控制提供可靠的安全性评价。

表三不同道路信息及驾驶员行为下的区域划分及边界

Claims (1)

1.一种在线的车辆行驶控制区域划分及区域边界估计方法，其步骤是：

S1、软件联合仿真设置及车辆模型搭建；

S2、车辆行驶控制区域划分及边界估计

(1)稳定区域边界估计

①车辆动力学模型建立

②轮胎模型

③非线性模型局部线性化

其特征在于：

(2)控制区域划分

①过渡区形成及区域划分

关于车辆质心侧偏角β和车辆横摆角速度γ的区域会随驾驶员的转向、驱动/制动行为，以及路况信息实时更新并相应的改变，当前区间内最低车速下的边界形成的区域，定义为该车速区间下的稳定区域R1；以及当前区间内最高车速条件下的边界，该边界以外的区域为当前车速区间下的不稳定区域R3，且该边界形成的内部区域会与刚刚得到的稳定区域R1重叠，将不重叠的区域部分定义为临界稳定区R2，作为稳定区与不稳定区的过渡区域；当前车辆状态(β,γ)所处区域，则在各区域关于车辆稳定性的控制需求变化，各区域控制需求变化如下：

对各区域控制需求的介绍如下：在稳定区域R1，此时车辆的操纵性和侧向稳定性已可被保证，故在该区域可考虑轮胎纵向防滑性能，防止轮胎打滑抱死，并考虑能量消耗；当车辆状态进入临界稳定区域R2，应尽可能地保证车辆状态能够回到稳定区，故增加关于操纵稳定性和侧向稳定性的控制需求，且随着车辆状态在R2中逐渐远离R1，对轮胎纵向防滑和能量消耗的需求重心也应逐渐转移到车辆的操纵稳定性和侧向稳定性上；而在不稳定区域R3中时，首要的控制需求则为保证操纵性和侧向稳定性从而保证驾驶安全；

②区域位置判断

对控制区域的划分，需要实时地判断当前车辆状态(β,γ)所属的区域位置，从而判断车辆当前状态所需要满足的控制需求，若已知当前的车辆状态(β,γ)，且已知拟合的各边界上的β_mat和γ_mat均是一一对应的，则各边界可写成质心侧偏角关于横摆角速度的函数β_mat(γ_mat)，故可以通过函数β_mat(γ_mat)得到各边界a_in,b_in,a_out,b_out,c,d在当前γ下的β值，即可得到各边界上对于该γ值的坐标分别为(β_ain,γ),(β_bin,γ),(β_aout,γ),(β_bout,γ),(β_c,γ),(β_d,γ)，将它们的横坐标值分别与车辆反馈回的β值进行比较，即通过下列关系判断当前车辆状态(β,γ)所处区域：

若已知车辆当前的质心侧偏角和横摆角速度(β,γ)，即可根据关系(12)确定车辆当前所属控制区域。

Images