一种考虑避障稳定性的多轴特种车辆安全轨迹规划方法技术

本发明专利技术属于车辆工程技术领域，具体地涉及一种考虑避障稳定性的多轴特种车辆安全轨迹规划方法。步骤1：基于五轴特种车辆纵向、侧向、横摆以及侧倾四个自由度建立五轴特种车辆动力学模型，并对五轴特种车辆动力学模型的正确性进行验证；步骤2：参考周围车辆和特种车的相对运动状态，基于恒加速度假设，建立五轴特种车辆行驶风险场模型，同时基于车辆横摆稳定性和侧倾安全性，建立五轴特种车辆动力学约束模型。步骤3：以五轴特种车辆行驶风险场模型为软约束，轴特种车辆动力学约束模型为硬约束，设计MPC轨迹规划器，生成安全行驶轨迹。本发明专利技术的方法能够生成实现稳定避障的车辆行驶轨迹，实现多轴特种车辆安全稳定地高速行驶。现多轴特种车辆安全稳定地高速行驶。现多轴特种车辆安全稳定地高速行驶。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑避障稳定性的多轴特种车辆安全轨迹规划方法


[0001]本专利技术属于车辆工程
，具体地涉及一种考虑避障稳定性的多轴特种车辆安全轨迹规划方法。

技术介绍

[0002]多轴特种车辆由于其重型承载和广域机动的特点，在交通运输领域得到广泛应用。相比于两轴轻型车辆，多轴特种车质心高、质量大，在高速机动时更易失稳侧翻。传统意义上，多轴特种车辆的安全稳定控制主要依赖于驾驶员经验和车辆运动控制器。通过设计合理的车辆运动控制器，跟踪车辆期望状态，可以一定程度上实现多轴车辆横摆稳定性和防倾翻控制。但是，多轴特种车辆大惯量的特点造成其执行器响应速度和输出范围难以适应复杂多变的行驶环境，仅通过车辆运动控制器进行稳定控制往往难以到达预期的效果。
[0003]为实现多轴特种车辆稳定高速行驶，设计一种考虑轨迹跟踪时车辆避障稳定性的安全轨迹规划方法，在进行轨迹规划时考虑车辆的动力学性能，采用路径
‑
速度协同规划的方式，避免多轴特种车的车辆控制器进行轨迹跟踪时超出动力学约束边界，引发失稳侧翻。

技术实现思路

[0004]针对以上问题，本专利技术以五轴特种车辆为研究对象，考虑周围车辆运动状态及本车高速机动和避障稳定性，基于动力学模型实现局部路径
‑
速度协同规划，实现五轴特种车安全稳定行驶。首先，考虑五轴车辆纵向、侧向、横摆以及侧倾四个自由度建立五轴特种车辆动力学模型，并基于车辆模型的动力学响应验证模型的正确性；其次，考虑周围车辆和特种车的相对运动状态，基于恒加速度假设，建立车辆行驶风险场模型，同时考虑车辆避障行驶时的动力学稳定域，基于质心侧偏角
‑
横摆角速度相平面建立车辆行驶约束条件；再次，设计MPC轨迹规划器，以风险场模型为软约束，车辆稳定性为硬约束，同时考虑轨迹平滑性，生成可行行驶轨迹；最后，通过仿真验证所提出方法的正确性。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：
[0006]一种考虑避障稳定性的多轴特种车辆安全轨迹规划方法，包括：
[0007]步骤1：基于五轴特种车辆纵向、侧向、横摆以及侧倾四个自由度建立五轴特种车辆动力学模型，并对五轴特种车辆动力学模型的正确性进行验证；
[0008]步骤2：基于步骤1建立的五轴特种车辆动力学模型，参考周围车辆和特种车的相对运动状态，基于恒加速度假设，建立五轴特种车辆行驶风险场模型，同时基于车辆横摆稳定性和侧倾安全性，建立五轴特种车辆动力学约束模型；
[0009]步骤3：以步骤2建立的五轴特种车辆行驶风险场模型为软约束，五轴特种车辆动力学约束模型为硬约束，设计MPC轨迹规划器，生成安全行驶轨迹。
[0010]优选的，所述步骤1包括：
[0011]步骤1.1：在车辆坐标系下建立四自由度车体动力学模型，在大地坐标系下，建立五轴车辆运动学模型；
[0012]步骤1.2：基于Dugoff模型建立轮胎模型；
[0013]步骤1.3：建立五轴特种车辆的转向模型；
[0014]步骤1.4：利用Matlab/Simulink软件建立四自由度整车模型，同时利用TruckSim软件建立五轴车辆整车模型，通过比较两种模型在相同给定输入情形下的动力学响应，来验证四自由度整车模型的准确性。
[0015]优选的，所述步骤1.1包括：
[0016]步骤1.1.1：在车辆坐标系下建立五轴特种车辆单轨模型，四自由度车体动力学方程表示为：
[0017]纵向运动微分方程：
[0018][0019]侧向运动微分方程：
[0020][0021]横摆运动微分方程：
[0022][0023]侧倾运动微分方程：
[0024][0025]其中，m为整车质量；V
x
、V
y
分别表示车辆坐标系下车辆沿X轴、Y轴的纵向速度和侧向速度；表示车辆的横摆角速度；I
z
为车辆横摆转动惯量；I
x
为车辆绕侧倾中心转动惯量，F
xi
和F
yi
分别表示车辆坐标系下地面通过第i个(i＝1，2，...，5)轮胎作用于整车的纵向力和侧向力；L
i
(i＝1，2，...，5)表示车辆各轴到质心的距离，θ表示车体侧倾角，h为车辆质心距离地面垂直距离，a
y
为车辆质心处横向加速度，表示为由于悬架的存在，车体同时受到抗侧倾力矩，用M
R
表示，其大小为K、D分别表示车体侧倾的刚度系数和阻尼系数；
[0026]步骤1.1.2：在大地坐标系下，建立五轴车辆运动学模型：
[0027][0028]上式，表示车辆航向角，X、Y分别为车辆在大地坐标系下横向位置和纵向位置。
[0029]优选的，所述步骤1.2包括：
[0030]步骤1.2.1：车辆坐标系下和轮胎坐标系下轮胎力映射关系为：
[0031][0032]其中，δ
i
表示第i轴的转向角度，F
li
、F
ci
表示第i轴轮胎在轮胎坐标系下受到的纵向
力和侧向力；
[0033]步骤1.2.2：采用Dugoff轮胎模型，建立起轮胎力与车体动力学的联系：
[0034][0035]其中，C
li
、C
ci
分别表示第i轴轮胎的纵向刚度和侧向刚度，α
i
为第i轴轮胎的轮胎侧偏角，S
i
为第i轴轮胎的轮胎滑移率，μ为地面附着系数，F
zi
为第i轴轮胎的轮胎纵向力，λ
i
为轮胎力修正系数；
[0036]基于式(7)的轮胎力计算，以轮胎侧偏角和轮胎滑移率为输入，计算方式如下：
[0037]轮胎侧偏角：
[0038][0039]轮胎滑移率：
[0040][0041]其中，正负号约定为，前两轴取正，后三轴取负；ω
i
表示车轮转速，r
w
为轮胎滚动半径，v
li
为轮心纵向速度，表示为：
[0042][0043]优选的，步骤1.3具体为：
[0044]五轴特种车辆转向角基于阿克曼转向模型，五轴车第1、2、4、5轴为转向轴，瞬心位于第三轴延长线上，对单轨模型，建立如下关系：
[0045][0046]进而：
[0047][0048]优选地，所述步骤2的五轴特种车辆行驶风险场模型具体为：
[0049]步骤2.1.1：基于二元高斯分布函数，建立五轴特种车辆预测风险场：
[0050][0051]其中，X
ret
、Y
ret
为本车和周围车辆间相对位置；Z为碰撞调节系数，σ
x
、σ
y
为风险场调
节因子；
[0052]对本车周围第i台车辆，由于车辆相对行驶方向，相对坐标按如下方式定义：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑避障稳定性的多轴特种车辆安全轨迹规划方法，其特征在于：包括：步骤1：基于五轴特种车辆纵向、侧向、横摆以及侧倾四个自由度建立五轴特种车辆动力学模型，并对五轴特种车辆动力学模型的正确性进行验证；步骤2：基于步骤1建立的五轴特种车辆动力学模型，参考周围车辆和特种车的相对运动状态，基于恒加速度假设，建立五轴特种车辆行驶风险场模型，同时基于车辆横摆稳定性和侧倾安全性，建立五轴特种车辆动力学约束模型；步骤3：以步骤2建立的五轴特种车辆行驶风险场模型为软约束，五轴特种车辆动力学约束模型为硬约束，设计MPC轨迹规划器，生成安全行驶轨迹。2.根据权利要求1所述的一种考虑避障稳定性的多轴特种车辆安全轨迹规划方法，其特征在于：所述步骤1包括：步骤1.1：在车辆坐标系下建立四自由度车体动力学模型，在大地坐标系下，建立五轴车辆运动学模型；步骤1.2：基于Dugoff模型建立轮胎模型；步骤1.3：建立五轴特种车辆的转向模型；步骤1.4：利用Matlab/Simulink软件建立四自由度整车模型，同时利用TruckSim软件建立五轴车辆整车模型，通过比较两种模型在相同给定输入情形下的动力学响应，来验证四自由度整车模型的准确性。3.根据权利要求1所述的一种考虑避障稳定性的多轴特种车辆安全轨迹规划方法，其特征在于：所述步骤1.1包括：步骤1.1.1：在车辆坐标系下建立五轴特种车辆单轨模型，四自由度车体动力学方程表示为：纵向运动微分方程：侧向运动微分方程：横摆运动微分方程：侧倾运动微分方程：其中，m为整车质量；V
x
、V
y
分别表示车辆坐标系下车辆沿X轴、Y轴的纵向速度和侧向速度；表示车辆的横摆角速度；I
z
为车辆横摆转动惯量；I
x
为车辆绕侧倾中心转动惯量，F
xi
和F
yi
分别表示车辆坐标系下地面通过第i个(i＝1，2，...，5)轮胎作用于整车的纵向力和侧向力；L
i
(i＝1，2，...，5)表示车辆各轴到质心的距离，θ表示车体侧倾角，h为车辆质心距离地
面垂直距离，a
y
为车辆质心处横向加速度，表示为由于悬架的存在，车体同时受到抗侧倾力矩，用M
R
表示，其大小为K、D分别表示车体侧倾的刚度系数和阻尼系数；步骤1.1.2：在大地坐标系下，建立五轴车辆运动学模型：上式，表示车辆航向角，x、Y分别为车辆在大地坐标系下横向位置和纵向位置。4.根据权利要求2所述的一种考虑避障稳定性的多轴特种车辆安全轨迹规划方法，其特征在于：所述步骤1.2包括：步骤1.2.1：车辆坐标系下和轮胎坐标系下轮胎力映射关系为：其中，δ
i
表示第i轴的转向角度，F
li
、F
ci
表示第i轴轮胎在轮胎坐标系下受到的纵向力和侧向力；步骤1.2.2：采用Dugoff轮胎模型，建立起轮胎力与车体动力学的联系：其中，C
li
、C
ci
分别表示第i轴轮胎的纵向刚度和侧向刚度，α
i
为第i轴轮胎的轮胎侧偏角，S
i
为第i轴轮胎的轮胎滑移率，μ为地面附着系数，F
zi
为第i轴轮胎的轮胎纵向力，λ
i
为轮胎力修正系数；基于式(7)的轮胎力计算，以轮胎侧偏角和轮胎滑移率为输入，计算方式如下：轮胎侧偏角：轮胎滑移率：其中，正负号约定为，前两轴取正，后三轴取负；ω
i
表示车轮转速，r
w
为轮胎滚动半径，v
li
为轮心纵向速度，表示为：
5.根据权利要求3所述的一种考虑避障稳定性的多轴特种车辆安全轨迹规划方法，其特征在于：步骤1.3具体为：五轴特种车辆转向角基于阿克曼转向模型，五轴车第1、2、4、5轴为转向轴，瞬心位于第三轴延长线上，对单轨模型，建立如下关系：进而：6.根据权利要求4所述的一种考虑避障稳定性的多轴特种车辆安全轨迹规划方法，其特征在于：所述步骤2的五轴特种车辆行驶风险场模型具体为：步骤2.1.1：基于二元高斯分布函数，建立五轴特种车辆预测风险场：其中，X
ret
、Y
ret
为本车和周围车辆间相对位置；Z为碰撞调节系数，σ
x
、σ
y
为风险场调节因子；对本车周围第i台车辆，由于车辆相对行驶方向，相对坐标按如下方式定义：方式定义：表示本车与周围第i台车的航向夹角，(x0，y0)为本车在大地坐标系下的坐标，(x
i
，y
i
)为第i台车辆在大地坐标系下位置；步骤2.1.2：定义系数σ为风险场调节因子，本车某时刻运动状态为分别表示车辆位置、速度、加速度以及航向角，周围车辆运动状态为风险场调节因子σ计算公式为：式中，为常数系数，Δx和Δy分别表示本车与周围车辆X方向和Y方向差值，a
x0
、a
y0
为本车横向和纵向加速度，V
x0
、V
y0
为本车横向和纵向速度，C
x
、C
y
根据实际车速确定，采用如下计算公式：上式中，表示道路最高...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘秀钰，刘志浩，高钦和，程洪杰，邓刚锋，刘钇讯，陈渐伟，杨建福，李若亭，
申请(专利权)人：中国人民解放军火箭军工程大学，
类型：发明
国别省市：