无人车放宽静稳定动力学控制方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种无人车放宽静稳定动力学控制方法及系统，能够放宽无人车横向动力学系统的布局条件，减小传统车辆布局理论对无人车总体布局灵活性的限制，提高无人车底盘总体布局的灵活性和设计空间。具体为：通过预设的目标极点位置以及当前的车辆状态参数，计算实现预设目标极点位置所需的目标主动横摆力矩；然后将计算的目标主动横摆力矩将分配到无人车的各独立驱动车轮上，使无人车获得与预设目标极点位置对应的车辆动力学性能。采用该控制系统能够放宽无人车总体布局的稳定性限制条件，允许无人车横向动力学系统的布局为静不稳定系统，突破传统的静稳定布局理论约束，尤其适用于采用全线控底盘设计方案后导致横向动力学系统静不稳定的无人车。

The method and system of relaxed static and stable dynamic control for unmanned vehicle

【技术实现步骤摘要】
无人车放宽静稳定动力学控制方法及系统
本专利技术涉及一种无人车动力学控制方法及系统，具体涉及一种无人车放宽静稳定动力学控制方法及系统，属于无人车与自动驾驶车辆

技术介绍
自动驾驶车辆是未来汽车产业的重要发展方向，也是人工智能技术落地的重要领域之一。无人车是指具有自主行为能力并完全省略人类驾驶机构的车辆，具有智能化、线控化、机器人化、多功能化的特点。无人车的使用目的为替代人类执行作业任务，包括但不限于打击、作战、巡逻、侦察、物流、运输、摆渡、配送、清扫等民用或军用任务，在民用或军用领域具有非常广阔的应用前景，是未来智能交通与智慧城市建设的重要组成部分，更是我国新一代陆军装备发展的重要依托。因此，无人车理论与技术的研究对我国国民经济发展与国防安全建设具有重要战略意义。与传统车辆相比，无人车的总体构型、布局形式、控制系统、执行机构等都完全不同。由于特殊的使用功能，无人车完全省略人类操作机构，其底盘必须采用全线控架构，即转向系统、驱动系统及制动系统完全由电子控制系统控制，实现完全的线控转向、线控驱动及线控制动。这样全新的总体布局形式对无人车总体设计、动力学与控制等理论与技术提出了巨大的挑战。当采用全线控技术架构后，无人车的总体布局与传统汽车相比发生巨大变化，由于特殊的总体布局形式，会影响无人车横向动力学系统的静稳定性，使得无人车往往会出现横向动力学系统静不稳定(过度转向)现象，使得无人车在极端驾驶等工况下容易丧失操纵稳定性，严重影响到无人车的综合性能。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供一种无人车放宽静稳定动力学控制方法，采用该动力学控制方法能够放宽无人车横向动力学系统的布局条件，减小传统车辆布局理论对无人车总体布局灵活性的限制，大幅提高了无人车底盘总体布局的灵活性和设计空间。所述的无人车放宽静稳定动力学控制方法具体为：通过预设的目标极点位置以及当前的车辆状态参数，计算实现预设目标极点位置所需的目标主动横摆力矩；然后将所计算的目标主动横摆力矩分配到所述无人车的各独立驱动车轮上，使所述无人车获得与预设目标极点位置对应的车辆动力学性能。采用下述方法进行目标主动横摆力矩的计算：令无人车的主动横摆力矩的控制律为：u(t)＝Kx(t)(1)式中：x(t)为无人车的横向动力学状态参数；u(t)为横摆力矩输入；K为控制律中的反馈矩阵；建立所述无人车包含参数不确定性的二自由度动力学模型：式中：w(t)为前后轮转向轮转角输入；A0、B20、B10是无人车的状态参数矩阵，由无人车的动力学状态参数决定；ΔA、ΔB2、ΔB1是无人车横向动力学系统的不确定矩阵，用来表征参数不确定性；采用圆域线性矩阵不等式区域描述所述无人车横向动力学系统的目标极点区域；然后基于鲁棒控制方法，依据所述包含不确定性的二自由度动力学模型、预设的目标极点位置计算所述反馈矩阵K，使预设的目标极点位置在所描述的目标极点区域内；在获得反馈矩阵K后，无人车的目标主动横摆力矩即为u(t)＝Kx(t)。当无人车为全轮独立驱动无人车，即无人的四个车轮均为独立驱动车轮时：按照车轮垂直载荷比例进行独立驱动车轮驱动力的分配，令无人车左侧车轮和右侧车轮的驱动力分配比例函数为：式中：Fx11为左前车轮驱动力；Fx12为右前车轮纵向驱动力；Fx21为左后车轮驱动力；Fx22为右后车轮驱动力；Fz11为左前车轮垂向力；Fz12为右前车轮垂向力；Fz21为左后车轮垂向力；Fz22为右后车轮垂向力；k为离散时间；κl为左侧车轮的驱动力分配比例函数；κr为右侧车轮的驱动力分配比例函数；无人车的目标总驱动力FxT、目标主动横摆力矩Mdes和各车轮驱动力关系为：式中：B为车辆轮距；lf为车辆质心到前轴距离；lr为车辆质心到后轴距离；δ为车轮转角；则各独立驱动车轮的驱动力分配结果为：基于上述动力学控制方法，本专利技术还提供一种无人车放宽静稳定动力学控制系统，该动力学控制系统包括：控制指令层、底盘上层控制层、底盘下层控制层、执行机构控制层和状态参数反馈层；所述控制指令层用于将底盘控制指令发送给底盘上层控制层，所述底盘控制指令包括：目标转向模式、目标车轮转角、目标总驱动力、目标总制动力；所述底盘上层控制层包括目标指令解算模块和横摆力矩计算模块；所述底盘上层控制层接收到所述底盘控制指令后，所述目标指令解算模块进行底盘控制指令的解算，所述横摆力矩计算模块计算目标主动横摆力矩，然后将解算的目标指令和计算的目标横摆力矩发送给底盘下层控制层；其中所述横摆力矩计算模块在进行目标主动横摆力矩计算时，基于车辆动力学模型，通过预先设定的闭环目标极点位置以及车辆状态参数反馈层反馈的当前的车辆状态参数，计算实现预设闭环目标极点位置所需的目标主动横摆力矩；所述底盘下层控制层依据控制指令中的目标总驱动力和底盘上层控制层所计算的目标主动横摆力矩计算每个独立驱动车轮的纵向驱动力，然后依据计算得到的每个独立驱动车轮的纵向驱动力后将对应的控制信息发送给执行机构控制层；所述底盘下层控制层还依据所解算的目标指令，将对应的控制信息发送给执行机构控制层；同时所述底盘下层控制层还通过对各独立驱动车轮的驱动电机的控制实现各独立驱动车轮滑移率的控制；所述执行机构控制层依据接收到的底盘下层控制层的控制信息实现对线控转向系统、线控驱动系统及线控制动系统中执行机构的控制；所述车辆状态参数反馈层用于对车辆的动力学状态参数进行实时监测，并反馈给底盘上层控制层；所述车辆的动力学状态参数包括：车辆速度、横摆角速度、质心侧偏角、电机转矩和电机转速。有益效果：(1)采用该控制方法及系统能够放宽无人车总体布局的稳定性限制条件，允许无人车横向动力学系统的布局为静不稳定系统，突破传统的静稳定布局理论约束，减小传统车辆布局理论对无人车总体布局灵活性的限制，尤其适用于采用全线控底盘设计方案后导致横向动力学系统静不稳定的无人车；大幅提高了无人车底盘总体布局的灵活性和设计空间，使其充分发挥全线控底盘系统的灵活布局技术优势，满足未来多样化多功能无人车研制的理论需要。(2)本专利技术通过目标理想极点位置配置的方法，实现无人车横向动力学系统的动力学控制，从而提高无人车的操纵性、稳定性、机动性和可控性，满足多功能无人车在不同工况下的使用需求。附图说明图1为本专利技术的动力学控制系统的控制流程示意图；图2为车辆横向动力学系统目标理想极点位置示意图；图3为独立驱动车辆驱动力分配模块示意图；图4为本专利技术控制效果示意图。具体实施方式下面结合附图并举实施例，对本专利技术进行详细描述。本实施例提供一种无人车放宽静稳定动力学控制系统，通过极点配置的动力学控制方法，针对无人车横向动力学系统的目标理想极点位置进行选取，使无人车获得与目标理想极点位置相对应的车辆动力学性能。如图1所示，该无人车放宽静稳定动力学本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.无人车放宽静稳定动力学控制方法，其特征在于，通过预设的目标极点位置以及当前的车辆状态参数，计算实现预设目标极点位置所需的目标主动横摆力矩；/n然后将所计算的目标主动横摆力矩分配到所述无人车的各独立驱动车轮上，使所述无人车获得与预设目标极点位置对应的车辆动力学性能。/n

【技术特征摘要】
1.无人车放宽静稳定动力学控制方法，其特征在于，通过预设的目标极点位置以及当前的车辆状态参数，计算实现预设目标极点位置所需的目标主动横摆力矩；
然后将所计算的目标主动横摆力矩分配到所述无人车的各独立驱动车轮上，使所述无人车获得与预设目标极点位置对应的车辆动力学性能。


2.如权利要求1所述的无人车放宽静稳定动力学控制方法，其特征在于，采用下述方法进行目标主动横摆力矩的计算：
令无人车的主动横摆力矩的控制律为：
u(t)＝Kx(t)(1)
式中：x(t)为无人车的横向动力学状态参数；u(t)为横摆力矩输入；K为控制律中的反馈矩阵；
建立所述无人车包含参数不确定性的二自由度动力学模型：



式中：w(t)为前后轮转向轮转角输入；A0、B20、B10是无人车的状态参数矩阵，由无人车的动力学状态参数决定；ΔA、ΔB2、ΔB1是无人车横向动力学系统的不确定矩阵，用来表征参数不确定性；
采用圆域线性矩阵不等式区域描述所述无人车横向动力学系统的目标极点区域；
然后基于鲁棒控制方法，依据所述包含不确定性的二自由度动力学模型、预设的目标极点位置计算所述反馈矩阵K，使预设的目标极点位置在所描述的目标极点区域内；
在获得反馈矩阵K后，无人车的目标主动横摆力矩即为u(t)＝Kx(t)。


3.如权利要求1或2所述的无人车放宽静稳定动力学控制方法，其特征在于，当无人车为全轮独立驱动无人车，即无人的四个车轮均为独立驱动车轮时：
按照车轮垂直载荷比例进行独立驱动车轮驱动力的分配，令无人车左侧车轮和右侧车轮的驱动力分配比例函数为：



式中：Fx11为左前车轮驱动力；Fx12为右前车轮纵向驱动力；Fx21为左后车轮驱动力；Fx22为右后车轮驱动力；Fz11为左前车轮垂向力；Fz12为右前车轮垂向力；Fz21为左后车轮垂向力；Fz22为右后车轮垂向力；k为离散时间；κl为左侧车轮的驱动力分配比例函数；κr为右侧车轮的驱动力分配比例函数；<...

【专利技术属性】
技术研发人员：倪俊，姜旭，李远哲，袁昊，吴家枫，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11