一种应对极限工况的三轴商用车双阶段漂移控制方法及安全辅助系统技术方案

本发明专利技术公开了一种应对极限工况的三轴商用车双阶段漂移控制方法及安全辅助系统，搭建包含非线性轮胎的双轨三轴车辆路径跟踪模型。根据弯道特征计算稳态漂移状态量，对状态量根轨迹进行稳定性分析，基于时变模型预测算法跟踪期望稳态漂移平衡状态，实现辅助漂移控制，获取预瞄道路信息，计算横向误差e与航向误差ΔΨ，并据此切换控制模式，在弯道临近结束时切换为集成主动前转向/附加横摆力矩的航向稳定控制，使车身姿态恢复平稳。将上述所得控制指令传输到轮边驱动总成与线控转向机构进行实时执行。本发明专利技术实现了弯道漂移与直线段路径的融合，改进了现有方法仅能进行稳态圆周工况漂移控制的不足，满足无人驾驶商用车复杂工况漂移行驶需求。漂移行驶需求。漂移行驶需求。

【技术实现步骤摘要】
一种应对极限工况的三轴商用车双阶段漂移控制方法及安全辅助系统


[0001]本专利技术涉及商用车动力学控制领域，尤其涉及一种应对极限工况的三轴商用车双阶段辅助漂移控制方法及安全辅助系统。

技术介绍

[0002]自动驾驶技术在汽车产业化中呈现出爆炸式的增长和更加蓬勃的发展，旨在解决日益突显的能源短缺和道路安全问题。诸多辅助系统安装在车辆上，从早期的高级驾驶员辅助系统(ADAS)，到最新的组合主动前转向(AFS)和直接横摆力矩控制(DYC)系统，已成功部署在智能车辆中，以减少不稳定引起的交通事故。当车辆高速行驶或急转弯时，后轴极易达到附着极限，在侧向力干扰下，会出现车身侧滑，这是一种不稳定或不可控的极限工况，车辆质心侧偏角将发生剧烈变化，传统的稳定性控制系统无法发挥作用。车辆不稳定对车辆安全构成重大威胁，会发生大量不稳定事故。在这种情况下，非传统转弯方式，即漂移，代表了车辆在非稳定转弯时的另一种可能平衡条件，具备后轮高度侧滑，前轮反向转向的特点，这种不稳定但可控的转向方式为车身大质心侧偏角行驶提供了一种控制方案。通过探索拉力赛中专业驾驶员的漂移控制策略，可以更加全面地了解路面上的车辆特性，并进一步开发具有专业水平驾驶能力的自动驾驶技术，以扩展自动驾驶车辆的操纵稳定域范围。
[0003]现有方法主要针对自行车
‑
车辆模型或两轮驱动的双轴车辆模型展开，跟踪圆周轨迹进行稳态圆周漂移，并提出了过于简单的假设，在漂移过弯结束时，需尽快减小车身质心侧偏角。由于轮胎饱和与存在较大质心侧偏角，进行路径跟随会对车辆操纵稳定性造成影响。同时，少有方法关注具有分布式驱动系统的三轴驱动商用车的自主漂移控制。与集中驱动汽车相比，分布式驱动电动汽车更方便地调整每个车轮的纵向扭矩，具有更好的抓地力和更大的侧偏角，可以提供更多的漂移可能性。漂移状态下，分布式驱动电动汽车表现为非线性过驱动系统，控制输入数超过控制状态数。商用车自动驾驶已然在物流运输、矿山、港口等场景率先落地，实现商业化运营。受制于技术、资金、法规、场景、安全等诸多因素，自动驾驶在乘用车领域的商业化进展缓慢。截止2021年底，上汽、百度、小马智行、文远知行、元戎启行、滴滴等纷纷展开自动驾驶商用车的研究，部分技术以三轴车辆为载体。上述自主漂移控制器均不能用于三轴分布式驱动商用车，因为过驱动系统输入矢量的冗余和耦合阻碍了通用漂移控制器的直接使用。三轴商用车具有更为复杂的动力学模型与载荷转移模型，对此提出双阶段变曲率辅助漂移方案，促进辅助漂移系统的场景化应用。对追求高效、极限的自动驾驶技术具有重要的理论意义和工程价值。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提出一种双阶段辅助漂移控制方法及安全辅助系统来应对三轴商用车行驶过程中出现的极限工况。为实现上述目的，该方法主要包括如下步骤：
[0005]S1：根据三轴商用车整车架构搭建了包含非线性轮胎的双轨三轴车辆路径跟踪模
型。
[0006]S2：根据弯道特征计算稳态漂移状态量，对状态量根轨迹进行稳定性分析，基于时变模型预测算法跟踪期望稳态漂移平衡状态，从而实现辅助漂移控制。
[0007]S3：通过相关车载视觉传感器获取预瞄道路信息，计算横向误差e与航向误差ΔΨ，并据此切换控制模式，实现大质心侧偏角辅助漂移提前进弯、航向稳定提前出弯。
[0008]S4：在弯道临近结束时，停止辅助漂移控制，同时切换为集成主动前转向/附加横摆力矩的航向稳定控制，使车身姿态迅速恢复平稳。
[0009]S5：经通信总线将S2、S3、S4所得控制指令传输到轮边驱动总成与线控转向机构进行实时执行。
[0010]优选的，根据三轴商用车整车架构搭建了包含非线性轮胎的双轨三轴车辆路径跟踪模型。该车辆配备了环境感知、路径规划及跟踪和车辆动力学控制等核心技术相关的智能传感器、计算设备与执行机构。采用三轴车辆双轨模型，包含魔术非线性轮胎模型，进一步近似估计线性刚度，并考虑横、纵向载荷转移。为降低控制算法计算负荷，利用魔术公式简化形式对轮胎侧向力曲线F
yij
(α
ij
)进行拟合。
[0011][0012]其中，μ为轮胎的路面附着系数，F
zij
为轮胎的垂直载荷，B,C,D,E为Magic轮胎模型参数，α
ij
为轮胎侧偏角。
[0013]在漂移稳态求解阶段采用三轴车辆双轨模型，为进一步准确表达大质心侧偏角下的车辆状态，以车速V,质心侧偏角β,横摆角速度γ为模型状态量，以前轮转角、中后轴驱动力为控制量进行车身姿态调整；
[0014][0015][0016][0017]其中，δ
f
表示等效前轮转向角，F
xi
(i＝f,m,r)分别是前、中、后轴等效纵向轮胎力，F
yi
(i＝f,m,r)分别是前、中、后轴等效横向轮胎力，I
z
表示车辆转动惯量，m为车辆总质量，a、b、c分别表示前轴、中轴、后轴到质心G.G的最短距离。t
i
(i＝f,m,r)分别表示前轴、中轴、后轴的轮距。
[0018]建立包含大地坐标系XOY、车身坐标系xoy以及相对于所需参考路径位置定义的曲线坐标系的路径跟踪模型，获得车辆质心位置状态方程和路径误差运动学方程
[0019][0020][0021][0022]其中，X、Y表示在绝对坐标系XOY下车辆质心的纵、横坐标。曲线坐标系描述了车辆相对于参考路径的位置，横向误差e是从路径上最近点到车辆质心的距离。κ
road
为道路曲率，s为沿路径行驶距离，ψ为车辆航向角，ψ
ref
为道路航向角，Δψ是车辆航向与最近点路径切线之间的角度。
[0023]优选的，根据弯道特征计算稳态漂移状态量，凭借根轨迹进行稳定性分析。平衡必须满足稳态方程，稳态方程由动力学方程的导数项等于零构成。
[0024][0025][0026]其中，R
road
为道路曲率。基于时变模型预测算法跟踪期望稳态漂移平衡状态，从而实现辅助漂移控制。根据道路曲率和实时车速求解出车辆平衡态状态量[v
xeq v
yeq γ
eq
]与平衡态控制量[δ
feq F
xmeq F
xreq
]，下标eq均表示各变量平衡态的稳定值。采用线性化微分动力学模型作为预测模型，在稳态漂移平衡状态下，根据车辆系统动力学公式，通过雅可比矩阵得到状态转移矩阵A
df_c
和控制矩阵B
df_c
，
[0027][0028]其中，x(t)＝[v
x
‑
v
xeq v
y
‑
v
yeq
γ
‑
γ
eq eΔψ]T u(t)＝[δ
f
‑
δ
feq F
xm
‑
F
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种应对极限工况的三轴商用车双阶段漂移控制方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：搭建包含非线性轮胎的双轨三轴车辆路径跟踪模型；S2：根据弯道特征计算稳态漂移状态量，对状态量根轨迹进行稳定性分析，基于时变模型预测算法跟踪期望稳态漂移平衡状态，实现辅助漂移控制；S3：通过车载视觉传感器获取预瞄道路信息，计算横向误差e与航向误差ΔΨ，并据此切换控制模式，实现大质心侧偏角辅助漂移提前进弯、航向稳定提前出弯；S4：在弯道临近结束时，停止辅助漂移控制，同时切换为集成主动前转向/附加横摆力矩的航向稳定控制，使车身姿态迅速恢复平稳。2.根据权利要求1所述的一种应对极限工况的三轴商用车双阶段漂移控制方法，其特征在于，所述S1中的实现包括：依据车辆横、纵向加速度对各轮垂向载荷转移情况进行建模：模：模：其中，m
s
是整车簧载质量，m
ui
(i＝f,m,r)分别是前、中、后轴的非簧载质量，且满足m＝m
s+
m
uf+
m
um+
m
ur
。h
g
是车辆质心到侧倾中心的高度，P
f
，P
r
，P
m
分别是前、中、后轴上发生的横向重量转移的比例，L为最大轴距，a
x
,a
y
分别是纵向加速度和侧向加速度，可由下式计算为降低控制算法计算负荷，将其形式简化并对轮胎线性区侧偏刚度进行估计，为降低控制算法计算负荷，将其形式简化并对轮胎线性区侧偏刚度进行估计，其中，μ为轮胎的路面附着系数，F
zij
为轮胎的垂直载荷，B,C,D,E为Magic轮胎模型参数。基于轮胎动力学分析，轮胎侧偏角α
ij
可表示为可表示为单轨模型等效轮胎侧偏角为两侧车轮侧偏角平均值据此可计算轮胎临界侧偏角α
cr
，超过该值则无法产生更多的侧向力，同时更新线性轮
胎刚度胎刚度以提高车辆在极限工况的鲁棒性，借助线性轮胎刚度求得轮胎侧向力为以提高车辆在极限工况的鲁棒性，借助线性轮胎刚度求得轮胎侧向力为其中，μ为轮胎的路面附着系数，F
zij
为轮胎的垂直载荷，B,C,D,E为Magic轮胎模型参数，α
ij
为轮胎侧偏角。3.根据权利要求1所述的一种应对极限工况的三轴商用车双阶段漂移控制方法，其特征在于，所述S1的实现还包括：在漂移稳态求解阶段采用三轴车辆双轨模型，为进一步准确表达大质心侧偏角下的车辆状态，以车速V,质心侧偏角β,横摆角速度r为模型状态量，以前轮转角、中后轴驱动力为控制量进行车身姿态调整，建立下述动力学模型轮转角、中后轴驱动力为控制量进行车身姿态调整，建立下述动力学模型轮转角、中后轴驱动力为控制量进行车身姿态调整，建立下述动力学模型其中，δ
f
表示等效前轮转向角，F
xi
(i＝f,m,r)分别是前、中、后轴等效纵向轮胎力，F
yi
(i＝f,m,r)分别是前、中、后轴等效横向轮胎力，I
z
表示车辆转动惯量，m为车辆总质量，a、b、c分别表示前轴、中轴、后轴到质心G.G的最短距离，t
i
(i＝f,m,r)分别表示前轴、中轴、后轴的轮距。4.根据权利要求1所述的一种应对极限工况的三轴商用车双阶段漂移控制方法，其特征在于，所述S1的实现还包括：建立包含大地坐标系XOY、车身坐标系xoy以及相对于所需参考路径位置定义的曲线坐标系的路径跟踪模型，获得车辆质心位置状态方程和路径误差运动学方程动学方程
其中，X、Y表示在绝对坐标系XOY下车辆质心的纵、横坐标，曲线坐标系描述了车辆相对于参考路径的位置，横向误差e是从路径上最近点到车辆质心的距离，s为沿路径行驶距离，Δψ是车辆航向与最近点路径切线之间的角度。5.根据权利要求1所述的一种应对极限工况的三轴商用车双阶段漂移控制方法，其特征在于，所述S2对状态量根轨迹进行稳定性分析，平衡必须满足稳态方程，稳态方程由动力学方程的导数项等于零构成：6.根据权利要求1所述的一种应对极限工况的三轴商用车双阶段漂移控制方法，其特征在于，所述S2，于时变模型预测算法跟踪期望稳态漂移平衡状态，实现辅助漂移控制：根据道路曲率和实时车速求解出车辆平衡态状态量[v
xeq v
yeq γ
...

【专利技术属性】
技术研发人员：王海，石轩宇，蔡英凤，陈龙，廉玉波，钟益林，孙晓强，袁朝春，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：