CN116165943A - 一种漂移极限工况下的车辆主动安全控制方法 - Google Patents

一种漂移极限工况下的车辆主动安全控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种漂移极限工况下的车辆主动安全控制方法，属于车辆主动安全控制领域，具体步骤是：1、建立轮胎动力学模型，2、建立适用于控制器设计的整车动力学模型，考虑到控制器设计的复杂程度，整车模型采用三自由度单轨整车模型，3、通过斜坡稳态转向试验，结合整车模型中的参数，通过非线性最小二乘的方法辨识出轮胎模型中的刚度参数；4、结合整车模型与轮胎模型，通过matlab中的fsolve函数求出整车***的平衡点信息；5、结合ILQR算法基本原理，设计适用于漂移极限工况下的整车主动安全控制方法；6、结合CarSim平台进行控制算法的仿真效果验证。本发明可实现稳态瞬态漂移控制，具有一定的通用性，可以进一步拓展适用于四驱车的稳定漂移控制。

Description

一种漂移极限工况下的车辆主动安全控制方法
技术领域
本发明属于车辆主动安全控制领域，具体涉及一种漂移极限工况下的车辆主动安全控制方法。
背景技术
造成重大人员伤亡的交通事故主要发生在极限驾驶工况，因此，研究极限工况下的汽车主动安全运动控制对保障人民生命及财产安全具有重要意义，是面向减少交通事故、提升我国汽车产业自主创新能力及提高核心竞争力、在主动安全协同控制方面跨代超越的国家重大需求。由于汽车行驶环境复杂，运行状态多样，同时极限工况下轮胎六分力耦合严重，以及瞬间失稳(毫秒级)所要求的高实时性等，使得极限工况下汽车运动的协同控制极具挑战性。
近年来，漂移极限工况下的车辆控制研究越来越受到国内外学者的关注。漂移作为一种驾驶技巧，通常用于赛车比赛中，赛车手通过有意使车辆处于过度转向状态，使后轮或全部轮胎处于全滑状态，并精确控制油门与转向，使车辆实现稳态过弯。漂移控制的研究主要有稳态漂移控制与瞬态漂移控制的研究。其中，稳态漂移控制是指将车辆状态维持在不稳定的漂移平衡点附近，其控制方法大致可以分为两类，分别为基于车辆动力学模型的控制与基于人工智能算法的控制。上述控制方法虽然可以很好地实现基于单一漂移平衡点的整车稳态漂移控制，但对于漂移状态的切换控制及漂移状态到常规行驶状态的切换控制研究甚少。
发明内容
为解决上述稳态漂移控制研究中存在的不足，本发明提出一种漂移极限工况下的车辆主动安全控制方法，该方法基于简单三自由度单轨车辆模型、平衡点信息以及ILQR(Iterative Linear Quadratic Regulator)算法，不仅可以实现稳态漂移控制，还可以实现不同漂移状态间的切换控制及漂移行驶状态与常规行驶状态间的切换控制。ILQR算法与LQR(Linear Quadratic Regulator)算法不同，LQR仅适合于线性***的控制，而ILQR非常适合于非线性***的控制。本发明提出的方法与现有的基于ILQR算法的稳态漂移控制方法不同，现有的方法在目标函数设计中关注的是***平衡点信息与***控制输入的信息，因此，仅能实现稳态漂移控制，无法实现切换控制；而本发明提出的方法在不仅在***动力学建模方面进一步提高了建模的精度，而且在目标函数的设计中除了关注***控制输入信息外，聚焦的是闭环***期望的状态导数信息，因此，该方法既有一定的稳定性又能实现灵敏的切换控制。本发明的技术方案如下：
步骤一，建立轮胎动力学模型。由于该方案针对的是后驱车，故前轮胎采用纯侧偏Fiala轮胎模型，后轮胎采用改进的侧偏-纵滑复合Fiala轮胎模型。
步骤二，建立适用于控制器设计的整车动力学模型。考虑到控制器设计的复杂程度，整车模型采用三自由度单轨整车模型。
步骤三，通过斜坡稳态转向试验，结合整车模型中的参数，通过非线性最小二乘的方法辨识出轮胎模型中的刚度参数。
步骤四，结合整车模型与轮胎模型，通过matlab中的fsolve函数求出整车***的平衡点信息。
步骤五，结合ILQR算法基本原理，设计适用于漂移极限工况下的整车主动安全控制方法。
步骤六，结合CarSim平台进行控制算法的仿真效果验证。
本发明与现有相关技术相比较，有益效果如下：
1、对于稳态漂移控制，本发明不仅可以很好地实现沿单一平衡点的稳态漂移，还可以实现不同漂移平衡点的灵活切换，以及漂移行驶状态到常规行驶状态的切换。
2、对于瞬态漂移控制，由于本发明方法具有一定的通用性，通过改变目标函数，该控制方法可以实现基于路径跟踪的瞬态漂移控制。
3、该发明方法虽然具体针对的是后驱车的漂移控制，但该方法具有通用性，可以进一步拓展适用于四驱车的稳定漂移控制。
附图说明
图1为本发明中用于控制器设计的整车模型示意图；
图2为本发明中随前轮转角变化，平衡点处的质心侧偏角信息；
图3为本发明中随前轮转角变化，平衡点处的横摆角速度信息；
图4为本发明中整个算法的架构图；
图5为漂移状态的切换以及漂移行驶状态到常规行驶状态的切换的效果图。
具体实施方式
为详细描述本发明的技术方案，结合说明书附图，本发明的具体实施方案如下：
步骤一，轮胎动力学建模。轮胎力学特性的准确描述对于实现漂移至关重要，轮胎力学特性的准确描述离不开轮胎模型的正确选择。在本方案中，前轮胎采用Fiala轮胎模型进行建模，后轮胎采用改进的侧偏-纵滑复合Fiala轮胎模型进行建模。轮胎模型如下式所示：
Figure SMS_1
Figure SMS_2
上式中，Cα为轮胎侧偏刚度，α为轮胎侧偏角，Fz为垂直载荷，μ为轮胎-路面间的摩擦系数，η为衰减因子，Fx为纵向轮胎力。当仅考虑后轮驱动，对于前轮胎来说，则显然η＝1，此时前轮模型即为纯侧偏Fiala轮胎模型。
步骤二，建立三自由度单轨整车模型。考虑到控制器设计的复杂性以及解算的实时性，整车模型采用简单三自由度单轨整车模型，此处并未考虑轮速动力学，该模型的示意图如图1所示。整车模型的表达如下式所示：
Figure SMS_3
Figure SMS_4
Figure SMS_5
上式中，***的输入为前轮转角δ与后轮纵向力Fxr，状态变量为质心侧偏角β、横摆角速度γ与纵向车速Vx；m表示整车质量，a、b分别表示整车质心至前后轴的距离；Iz表示整车转动惯量；Fyf与Fyr分别表示前轮侧向力与后轮侧向力。
步骤三，辨识前后轮胎模型中的刚度参数Cαf与Cαr。首先设定工况即稳态斜坡转向试验工况：前轮转角缓慢线性增加且纵向车速不变，并假设：
1、前轮转角缓慢增加，即认为导数变化为零，也就是说***处于稳态(状态导数为零)；
2、忽略纵侧向力间的耦合；
其次，进行轮胎力预估：
Figure SMS_6
其中/>
Figure SMS_7
侧偏角预估：
Figure SMS_8
最后，通过非线性最小二乘的方法辨识出轮胎模型中的刚度参数。
步骤四，求出上述整车***的平衡点信息。由于整车***中的参数已知，通过令***状态导数为零，并结合matlab中的fsolve函数，可求出整车***的平衡点信息。求解出的平衡点信息如图2与图3所示。
步骤五，基于平衡点信息与上述整车模型，并结合ILQR算法，设计适用于漂移极限工况下的整车主动安全控制方法。对于该控制方法的设计，主要使用的算法为ILQR算法，创新之处在于ILQR算法中目标函数的设计，故首先介绍目标函数的设计原理，其次介绍ILQR算法。
ILQR算法目标函数的设计阐述。目标函数设计中包括状态成本项设计与控制成本项设计两部分。对于状态成本项，大部分文献基于***实际状态与期望状态的差值进行设计，但对于漂移极限工况下的整车控制来说，基于状态的差值进行设计，通常难以保证控制的稳定性。因此，本发明基于状态导数的差值进行状态成本的设计。通过测量整车的状态信息，并结合上述整车模型，可以获得***的状态导数信息，***期望的状态导数设计如下，分别为：
Figure SMS_9
Figure SMS_10
/>
Figure SMS_11
上式中，βeq、γeq、
Figure SMS_12
分别为平衡点处的状态信息，kβ、kγ、kVx分别为稳定反馈系数，eβ、eγ、eVx分别为***实际状态与期望状态的差值。
控制成本项设计采用算法计算出的***输入与平衡点处***输入间的差值进行设计。整个目标函数如下所示：
Figure SMS_13
式中:Q为状态导数差值的权重，p为决定***在零点处圆滑程度的系数，其值越大***在原点处越圆滑；R为控制输入差值的权重。
ILQR算法基本原理阐述。ILQR算法采用动态规划的思想，从后向前逐步递推以求得***的最优解。作为一种数值优化算法，为保证***的准确性与快速收敛性，ILQR利用泰勒展开对环境动态也就是***的动力学模型做一阶近似，对目标函数做二阶近似，类似于牛顿迭代的思想。通过这种局部近似，原有非线性***在局部就可以通过LQR进行求解。ILQR算法主要包括前向递推、后向递推、正则化、线性搜索等四个步骤，具体可以参考相关文献。整个控制器架构设计如图4所示。
步骤六，基于Simulink/CarSim平台进行整车仿真以验证该控制算法的有效性。经过仿真验证，该算法不仅可实现基于单一平衡点的稳态漂移，还可以实现漂移状态的切换以及漂移行驶状态到常规行驶状态的切换，效果如图5所示。

Claims (7)

1.一种漂移极限工况下的车辆主动安全控制方法，其特征在于，
步骤一，建立轮胎动力学模型，由于针对的是后驱车，前轮胎采用纯侧偏Fiala轮胎模型，后轮胎采用改进的侧偏-纵滑复合Fiala轮胎模型；
步骤二，建立适用于控制器设计的整车动力学模型，考虑到控制器设计的复杂程度，整车模型采用三自由度单轨整车模型；
步骤三，通过斜坡稳态转向试验，结合整车模型中的参数，通过非线性最小二乘的方法辨识出轮胎模型中的刚度参数；
步骤四，结合整车模型与轮胎模型，通过matlab中的fsolve函数求出整车***的平衡点信息；
步骤五，结合ILQR算法基本原理，设计适用于漂移极限工况下的整车主动安全控制方法；
步骤六，结合CarSim平台进行控制算法的仿真效果验证。
2.根据权利要求1所述的一种漂移极限工况下的车辆主动安全控制方法，其特征在于，步骤一中，所述轮胎模型如下式所示：
Figure FDA0004082257690000011
Figure FDA0004082257690000012
上式中，Cα为轮胎侧偏刚度，α为轮胎侧偏角，Fz为垂直载荷，μ为轮胎-路面间的摩擦系数，η为衰减因子，Fx为纵向轮胎力，当仅考虑后轮驱动，对于前轮胎来说，则显然η＝1，此时前轮模型即为纯侧偏Fiala轮胎模型。
3.根据权利要求1所述的一种漂移极限工况下的车辆主动安全控制方法，其特征在于，步骤二中，所述整车模型的表达如下式所示：
Figure FDA0004082257690000021
Figure FDA0004082257690000022
Figure FDA0004082257690000023
上式中，***的输入为前轮转角δ与后轮纵向力Fxr，状态变量为质心侧偏角β、横摆角速度γ与纵向车速Vx；m表示整车质量，a、b分别表示整车质心至前后轴的距离；Iz表示整车转动惯量；Fyf与Fyr分别表示前轮侧向力与后轮侧向力。
4.根据权利要求1所述的一种漂移极限工况下的车辆主动安全控制方法，其特征在于，步骤三中，辨识前后轮胎模型中的刚度参数Cαf与Cαr，首先设定工况即稳态斜坡转向试验工况：前轮转角缓慢线性增加且纵向车速不变，并假设：
首先，前轮转角缓慢增加，即认为导数变化为零，也就是说***处于稳态，即状态导数为零；
其次，忽略纵侧向力间的耦合；
再其次，进行轮胎力预估：
Figure FDA0004082257690000024
其中/>
Figure FDA0004082257690000025
侧偏角预估：
Figure FDA0004082257690000026
最后，通过非线性最小二乘的方法辨识出轮胎模型中的刚度参数。
5.根据权利要求1所述的一种漂移极限工况下的车辆主动安全控制方法，其特征在于，步骤四中，由于整车***中的参数已知，通过令***状态导数为零，并结合matlab中的fsolve函数，求出整车***的平衡点信息。
6.根据权利要求1所述的一种漂移极限工况下的车辆主动安全控制方法，其特征在于，步骤五中，基于平衡点信息与上述整车模型，并结合ILQR算法，设计适用于漂移极限工况下的整车主动安全控制方法，对于该控制方法的设计，主要使用的算法为ILQR算法。
7.根据权利要求1所述的一种漂移极限工况下的车辆主动安全控制方法，其特征在于，步骤六中，基于Simulink/CarSim平台进行整车仿真以验证该控制算法的有效性，经过仿真验证，该算法既能实现基于单一平衡点的稳态漂移，还能实现漂移状态的切换以及漂移行驶状态到常规行驶状态的切换。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117068138A (zh) * 2023-09-13 2023-11-17 中国人民解放军32806部队 一种基于安全边界约束的整车稳态漂移控制方法

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117068138A (zh) * 2023-09-13 2023-11-17 中国人民解放军32806部队 一种基于安全边界约束的整车稳态漂移控制方法

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