一种自动驾驶的车辆防侧翻控制方法与流程

1.本发明涉及汽车驾驶技术领域，特别是一种自动驾驶的车辆防侧翻控制方法。


背景技术：

2.随着汽车工业的蓬勃发展，汽车保有量在世界范围内不断增长，汽车在人类的日常生活中扮演着越来越重要的角色，成为人类必不可少的主要交通工具。发动机技术的改进、汽车电子控制技术的发展使得行驶车速进一步提高，从而引发了汽车行驶安全性的问题。同时在所有交通事故中，车辆侧翻是一种极其危险的恶性交通事故，由于汽车侧翻事故以及侧翻引起的二次事故所造成的人类生命财产损失比率的增长，因此汽车侧向稳定性引起了人们的重视。伴随着无人驾驶汽车的发展，如何提供一种适用于自动驾驶车辆的放侧翻的控制方法成为了申请人亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于，提供一种自动驾驶的车辆防侧翻控制方法。本发明可以有效改善车辆的转弯稳定性，减少车辆侧翻的发生，具有良好的控制效果。
4.本发明的技术方案：一种自动驾驶的车辆防侧翻控制方法，包括以下步骤：
5.s1、以横向载荷转移率作为车辆侧翻定义指数，构建横向载荷转移率阈值；
6.s2、在车辆行驶过程中，当实际的横向载荷转移率的绝对值小于横向载荷转移率阈值时，正常行驶；当实际的横向载荷转移率的绝对值大于横向载荷转移率阈值时，选择相对于转向方向的前外侧车轮和后内侧车轮作为制动车轮，当车辆转向过多时，对前外侧车轮施加制动，当车辆转向不足时对后内侧车轮施加制动。
7.上述的自动驾驶的车辆防侧翻控制方法，所述横向载荷转移率的计算如下：
8.在车辆静止情况下，得到各个轮胎的垂直载荷：
[0009][0010]
式中：f
z
为轮胎的垂直载荷；fl、fr、rl、rr分别表示左前、右前、左后、右后的车轮，其中i＝f、r分别表示前轮胎和后轮胎，j＝l、r分别表示左轮胎和右轮胎；m为车轮质量；g为重力加速度；a、b分别表示车辆质心到前后轴的中心距；l为轴距；
[0011]
在车辆转弯行驶过程中，各轮胎垂直载荷的变化量表示如下：
[0012][0013]
式中：δf
zfl
、δf
zfr
分别为前左和前后轮胎的垂直载荷变化量，δf
zrl
、δf
zrr
分别为后左轮胎和后右轮胎的垂直载荷变化量；a
y
为侧向加速度；φ为车辆侧倾角；k
φi
为前后悬架的侧倾角刚度；c
φi
为前后悬架的阻尼；h为质心到侧倾轴的距离；k为轮距；
[0014]
根据车辆转弯行驶过程中各轮胎垂直载荷的变化量得到车辆转弯行驶过程中各个轮胎的垂直载荷：
[0015][0016]
在车辆进行制动过程中，各轮胎垂直载荷的变化量表示如下：
[0017][0018]
根据车辆制动过程中各轮胎垂直载荷的变化量得到车辆制动过程中的各个轮胎的垂直载荷：
[0019][0020]
式中：a
x
为制动减速度；k
f
为底盘悬架前弹簧刚度；k
r
为底盘悬架后弹簧刚度；θ为车辆制动时产生的俯仰角位移；
[0021]
在车辆进行转弯制动时，根据车辆静止时各轮胎的垂直载荷、车辆转弯行驶过程中各个轮胎的垂直载荷和车辆制动过程中的各个轮胎的垂直载荷得到车辆转弯制动时的各个轮胎垂直载荷：
[0022][0023]
再根据车辆静止时、车辆转弯行驶时、车辆制动时和车辆转弯制动时的各个轮胎垂直载荷得到横向载荷转移率：
[0024][0025]
前述的自动驾驶的车辆防侧翻控制方法，所述横向载荷转移率的定义域为[0，1]，所述横向载荷转移率的阈值为0.8
‑
0.85。
[0026]
前述的自动驾驶的车辆防侧翻控制方法，步骤s2中，对车轮施加制动的制动力是通过防侧翻控制器输出附加横摆力矩分配得到，其中防侧翻控制器采用模糊控制，车辆的参考横摆角速度和横摆角速度的变化率作为防侧翻控制器的输入，附加横摆力矩为防侧翻控制器的输出。
[0027]
前述的自动驾驶的车辆防侧翻控制方法，所述防侧翻控制器输出的附加横摆力矩使车辆的参考横摆角速度趋向于目标横摆角速度；其中参考横摆角速度和目标横摆角速度计算过程如下：
[0028]
建立线性二自由度前轮转向模型：
[0029][0030]
式中：ω
r
为横摆角速度；β为质心侧偏角；u为车速；m
s
为簧载质量；k
aij
为轮胎侧偏刚度，e
ij
为侧倾转向系数，δ
ij
为车轮，转角，其中i＝f、r分别表示前轮胎和后轮胎，j＝l、r分别表示左轮胎和右轮胎；
[0031]
将左右车轮的侧偏刚度取值相等，简化为k
αfl
＝k
αfr
＝k
af
、k
αrl
＝k
αrr
＝k
αr
，得到外力、外力矩与整车运动参数的关系式：
[0032][0033]
式中：v为车轮线速度；i
z
为整车绕z轴的转动惯量；
[0034]
取x
s
＝[ω
r β]
t
为状态变量，u
s
＝δ
f
为输入变量，将线性二自由度前轮转向模型转换成状态方程：
[0035][0036]
式中：中：
[0037]
将状态方程通过拉式变化得到横摆角速度关于前轮转向角的传递函数，进而将线性二自由度前轮转向模型的横摆角速度作为实际车辆的参考横摆角速度：
[0038]
ω
rd
＝h
ωr
δ
f
；
[0039]
式中：
[0040]
当车辆转向时，在路面附着系数的作用下，横摆角速度的取值为：
[0041][0042]
根据横摆角速度的取值范围和参考横摆角速度得到目标横摆角速度：
[0043][0044]
与现有技术相比，本发明以横向载荷转移率作为车辆侧翻定义指数，构建横向载荷转移率阈值；在车辆行驶过程中，当实际的横向载荷转移率的绝对值小于横向载荷转移率阈值时，正常行驶；当实际的横向载荷转移率的绝对值大于横向载荷转移率阈值时，选择相对于转向方向的前外侧车轮和后内侧车轮作为制动车轮，当车辆转向过多时，对前外侧车轮施加制动，当车辆转向不足时对后内侧车轮施加制动。由此，本发明利用横向载荷转移率作为车辆行驶稳定性的标准，用于判断车辆在行驶过程是否会发生侧翻，并根据该值进行防侧翻控制，以达到抑制车辆转向过度/不足的目的，达到提高车辆操纵稳定性和行驶安全性的目的。本发明可有效地提高车辆在转向过程中的操纵稳定性，还能够提前规避汽车在转弯行驶时进入危险极限行驶状态，极大地提高了车辆主动安全性。本发明可以有效适合无人驾驶、自动驾驶车辆的需求，具有广阔的应用前景。
附图说明
[0045]
图1是本发明的框架示意图；
[0046]
图2是仿真分析中横摆载荷转移率变化曲线图。
具体实施方式
[0047]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但并不作为对本发明限制的依据。
[0048]
实施例：一种自动驾驶的车辆防侧翻控制方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0049]
s1、以横向载荷转移率作为车辆侧翻定义指数，构建横向载荷转移率阈值；
[0050]
本实施例中，选用的轮胎模型为magic formula轮胎模型，所述横向载荷转移率的计算如下：
[0051]
在车辆静止情况下，得到各个轮胎的垂直载荷：
[0052][0053]
式中：f
z
为轮胎的垂直载荷；fl、fr、rl、rr分别表示左前、右前、左后、右后的车轮，其中i＝f、r分别表示前轮胎和后轮胎，j＝l、r分别表示左轮胎和右轮胎；m为车轮质量；g为重力加速度；a、b分别表示车辆质心到前后轴的中心距；l为轴距；
[0054]
在车辆转弯行驶过程中，各轮胎垂直载荷的变化量表示如下：
[0055][0056]
式中：δf
zfl
、δf
zfr
分别为前左和前后轮胎的垂直载荷变化量，δf
zrl
、δf
zrr
分别为后左轮胎和后右轮胎的垂直载荷变化量；a
y
为侧向加速度；φ为车辆侧倾角；k
φi
为前后悬架的侧倾角刚度；c
φi
为前后悬架的阻尼；h为质心到侧倾轴的距离；k为轮距；
[0057]
根据车辆转弯行驶过程中各轮胎垂直载荷的变化量得到车辆转弯行驶过程中各个轮胎的垂直载荷：
[0058][0059]
在车辆进行制动过程中，各轮胎垂直载荷的变化量表示如下：
[0060][0061]
根据车辆制动过程中各轮胎垂直载荷的变化量得到车辆制动过程中的各个轮胎的垂直载荷：
[0062][0063]
式中：a
x
为制动减速度；k
f
为底盘悬架前弹簧刚度；k
r
为底盘悬架后弹簧刚度；θ为车辆制动时产生的俯仰角位移；
[0064]
在车辆进行转弯制动时，根据车辆静止时各轮胎的垂直载荷、车辆转弯行驶过程中各个轮胎的垂直载荷和车辆制动过程中的各个轮胎的垂直载荷得到车辆转弯制动时的各个轮胎垂直载荷：
[0065][0066]
再根据车辆静止时、车辆转弯行驶时、车辆制动时和车辆转弯制动时的各个轮胎垂直载荷得到横向载荷转移率：
[0067][0068]
根据上式可知，在车辆理想状态下，左侧轮胎和右侧轮胎的载荷相等，即横向载荷转移率为0，当一侧车轮离开地面时，即可认为车辆将会发生侧翻，此时横向载荷转移率为1，由此本实施例中所述横向载荷转移率的定义域为[0,1]。在车辆的行驶过程中，为了安全器件，将横向载荷转移率阈值设置成为0.8。
[0069]
s2、在车辆行驶过程中，当实际的横向载荷转移率的绝对值小于横向载荷转移率阈值时，正常行驶；当实际的横向载荷转移率的绝对值大于横向载荷转移率阈值时，则认为车辆有发生侧翻的风险，此时选择相对于转向方向的前外侧车轮和后内侧车轮作为制动车轮，当车辆转向过多时，对前外侧车轮施加制动，当车辆转向不足时对后内侧车轮施加制动。
[0070]
本实施例中，对车轮施加制动的制动力是通过防侧翻控制器输出附加横摆力矩分配得到，其中防侧翻控制器采用模糊控制，车辆的参考横摆角速度和横摆角速度的变化率作为防侧翻控制器的输入，附加横摆力矩为防侧翻控制器的输出。
[0071]
所述防侧翻控制器输出的附加横摆力矩使车辆的参考横摆角速度趋向于目标横摆角速度，从而减少横向载荷转移率，防止发生侧翻；本实施例中，根据前文中计算的各个轮胎的垂直载荷，利用车辆操作动力学模型可以得到附加横摆力矩，其中车辆操作动力学模型表示为：
[0072][0073]
式中：f
yij
为各轮的侧向力，f
yij
＝k
αij
α
tjj
；f
x
为各轮的制动力；
[0074]
所述防侧翻控制器输出的附加横摆力表示为：
[0075]
[0076]
进一步地，所述参考横摆角速度和目标横摆角速度计算过程如下：
[0077]
建立线性二自由度前轮转向模型：
[0078][0079]
式中：ω
r
为横摆角速度；β为质心侧偏角；u为车速；m
s
为簧载质量；k
αij
为轮胎侧偏刚度，e
ij
为侧倾转向系数，δ
ij
为车轮，转角，其中i＝f、r分别表示前轮胎和后轮胎，j＝l、r分别表示左轮胎和右轮胎；
[0080]
将左右车轮的侧偏刚度取值相等，简化为k
αfl
＝k
αfr
＝k
αf
、k
αrl
＝k
αrr
＝k
αr
，得到外力、外力矩与整车运动参数的关系式：
[0081][0082]
式中：v为车轮线速度；i
z
为整车绕z轴的转动惯量；
[0083]
取x
s
＝[ω
r β]
t
为状态变量，u
s
＝δ
f
为输入变量，将线性二自由度前轮转向模型转换成状态方程：
[0084][0085]
式中：式中：
[0086]
将状态方程通过拉式变化得到横摆角速度关于前轮转向角的传递函数，进而将线性二自由度前轮转向模型的横摆角速度作为实际车辆的参考横摆角速度：
[0087]
ω
rd
＝h
ωr
δ
f
；
[0088]
式中：
[0089]
当车辆转向时，在路面附着系数的作用下，横摆角速度的取值为：
[0090][0091]
根据横摆角速度的取值范围和参考横摆角速度得到目标横摆角速度：
[0092][0093]
由此本发明利用横向载荷转移率作为车辆行驶稳定性的标准，用于判断车辆在行驶过程是否会发生侧翻，并根据该值进行防侧翻控制，以达到抑制车辆转向过度/不足的目的，达到提高车辆操纵稳定性和行驶安全性的目的。
[0094]
为了验证本发明的有效性，通过模拟车辆转弯来验证方向盘转向过度是车辆的侧
倾稳定性。通过仿真得到横摆载荷转移率曲线图，如图2所示。从图2中可以看出，采用本发明方法进行车辆的防侧翻控制，可以降低车辆的横向载荷转移，并将横向载荷转移率大部分控制在0.8以下，这说明本发明可以有效的减轻转向时左右车轮的载荷转移，减少车辆发生侧翻的可能性，提高了车辆行驶的稳定性。