[发明专利]一种适用于冰雪道路工况的转向制动联合避撞控制方法

摘要

一种适用于冰雪道路工况的转向制动联合避撞控制方法，其特征在于，该方法包括避撞路径规划模块、轮胎模型线性化模块、MPC控制器和CarSim汽车模型；避撞路径规划模块用于计算避撞路径的参考侧向位移和横摆角；轮胎模型线性化模块用于实现预测时域内非线性轮胎力的线性近似；CarSim汽车模型用于输出汽车的实际状态量，包括汽车纵向速度、侧向速度、横摆角速度、横摆角和侧向位移；MPC控制器根据参考侧向位移、横摆角以及汽车的实际状态量，求解出汽车的前轮转角和各个车轮的制动力并输入给CarSim汽车模型，控制汽车实现避撞控制。

主权项

1.一种适用于冰雪道路工况的转向制动联合避撞控制方法，其特征在于，该方法包括避撞路径规划模块、轮胎模型线性化模块、MPC控制器和CarSim汽车模型；避撞路径规划模块用于计算避撞路径的参考侧向位移和横摆角；轮胎模型线性化模块用于实现预测时域内非线性轮胎力的线性近似；CarSim汽车模型用于输出汽车的实际状态量，包括汽车纵向速度、侧向速度、横摆角速度、横摆角和侧向位移；MPC控制器根据参考侧向位移、横摆角以及汽车的实际状态量，求解出汽车的前轮转角和各个车轮的制动力并输入给CarSim汽车模型，控制汽车实现避撞控制；该方法包括以下步骤：步骤1、设计避撞路径规划模块，确定参考侧向位移和横摆角；步骤2、设计轮胎模型线性化模块，实现预测时域内非线性轮胎力的线性近似，其过程包括如下子步骤：步骤2.1、设计非线性轮胎模型，得到轮胎侧向力F_y的表达式；步骤2.2、轮胎模型线性化方程设计，其过程包括如下子步骤：步骤2.2.1、轮胎状态刚度定义，定义轮胎状态刚度C为每一侧偏角α下，侧向力与该侧偏角的比值，表达式如下：其中，各个轮胎的侧偏角分别定义如下：其中，下标fl，fr，rl，rr分别指前左、前右、后左和后右轮轮胎；δ_f为前轮转角；为汽车侧向速度；为汽车纵向速度；γ为汽车横摆角速度；l_f与l_r分别为汽车质心到前轴和后轴的距离；步骤2.2.2、轮胎模型性化方程设计，将步骤2.1的式(2)得到的轮胎侧向力和步骤2.2.1的式(15)得到的轮胎侧偏角代入步骤2.2.1的式(14)可得到每个轮胎的轮胎状态刚度，基于得到的轮胎状态刚度，各个轮胎的侧向力可线性化表示为：F_y,ij＝C_ij·α_ij         (16)其中，下标ij＝fl，fr，rl，rr；步骤2.3、预测时域内轮胎状态刚度预测和轮胎模型线性化，其过程包括如下子步骤：步骤2.3.1、建立汽车运动学模型，其表达式如下：其中，F_y,f＝F_y,fl+F_y,fr，为前左、前右轮轮胎侧向力之和，表示汽车的前轴侧向力；F_y,r＝F_y,rl+F_y,rr，为后左、后右轮轮胎侧向力之和，表示汽车的后轴侧向力；I_z为绕汽车质心铅垂轴的横摆转动惯量；为汽车横摆角加速度；F_b，fl，F_b,fr，F_b,rl和F_b,rr分别为前左、前右、后左和后右轮的制动力；w为汽车左右轮距；m为汽车质量；为汽车侧向加速度；为汽车在大地坐标系中的横摆角变化率；为汽车在大地坐标系中侧向位移的变化率；为汽车在大地坐标系中的横摆角；步骤2.3.2、预测时域内轮胎状态刚度预测，将步骤1得到的参考侧向位移Y_ref和横摆角代入步骤2.3.1中的汽车运动学模型，可以推导出预测的轮胎状态刚度的表达式：其中，C_f,pre为预测的前轴的轮胎状态刚度；C_r,pre为预测的后轴的轮胎状态刚度；参考横摆角的二阶导；为参考侧向位移的二阶导；为参考侧向位移的一阶导；和κ_μ,F为补偿附着系数影响的调节因子；ε是避免分母为零的极小数；由于轮胎力附着极限的影响，轮胎状态刚度应满足约束：其中，下标i＝f，r分别指前后轴；μ为路面附着系数；F_z为轮胎垂直载荷；在当前时刻向前取P个参考路径数据，即可得到未来预测时域内的轮胎状态刚度：其中，上标k表示当前时刻；上标k+n表示未来第n时刻，n＝0,1,…P；函数f(·)表示式(18)；预测的轮胎状态刚度变化量可以表示为：最终可以得到预测时域内的轮胎状态刚度：其中，表示当前时刻的轮胎状态刚度，由步骤2.2.1中的式(14)计算得到；步骤2.3.3、预测时域内的轮胎模型线性化，将步骤2.3.2的式(22)代入步骤2.2.2的式(16)可得到预测时域内的轮胎侧向力的线性化表达式：步骤3、设计MPC控制器，其过程包括如下子步骤：步骤3.1、建立预测模型，将步骤2.3.3的式(23)代入步骤2.3.1的汽车动力学模型式(17)，可以得到MPC控制器的预测模型：将式(24)写成标准状态空间方程的形式，并以步长T_s进行离散化，得到增量式的离散预测模型模型如下：其中，控制输入u＝[δ_f,F_b,fl,F_b,fr,F_b,rf,F_b,rr]^T；状态变量预测输出ζ为横摆角和侧向位移，即步骤3.2、计算预测输出，根据模型预测控制理论，取预测时域为P，控制时域为M，可以得到在当前k时刻的预测输出为：ζ(k+1|k)＝S_ξ·Δξ(k)+I·ζ(k)+S_uΔU(k)     (26)其中，预测输出矩阵ζ(k+1|k)＝[ζ(k+1|k),…,ζ(k+P|k)]^T；控制输入增量矩阵ΔU(k)＝[Δu(k),…,Δu(k+M‑1)]^T；同时根据式(1)得到参考输出矩阵R(k+1)＝[r_ref(k+1),…,r_ref(k+P)]^T其中，步骤3.3、设计优化目标及约束条件，其过程包括如下子步骤：步骤3.3.1、用参考的侧向位移和横摆角与汽车实际侧向位移和横摆角的偏差的二范数作为避撞跟踪性能指标，其表达式如下：其中：τ_y和分别是对侧向位移和横摆角跟踪性能的加权因子；步骤3.3.2、用控制量变化量的二范数作为转向、制动平滑指标，其表达式如下：其中：τ_δ是对转角输入变化量的加权因子；对各个车辆制动力输入变化量的加权因子；步骤3.3.3、设置执行器物理约束，满足执行器要求：利用线性不等式限制控制量及其变化量的上下限，得到执行器的物理约束，其数学表达式为：步骤3.3.4、设置控制输出约束，满足道路环境要求：步骤3.4、求解系统控制输入，其过程包括如下子步骤：步骤3.4.1、利用线性加权法将步骤3.3.1所述避撞跟踪性能指标和步骤3.3.2所述转向、制动平滑指标化为单一指标，构建多目标优化控制问题：服从于i)预测模型式(25)ii)约束条件式(29)～(30)步骤3.4.2、在控制器中，采用二次规划算法，求解多目标优化控制问题(31)，得到最优开环控制序列Δu为：选取当前时刻最优开环控制序列中的第一组元素进行反馈，与前一时刻进行线性叠加后得到前轮转角δ_f和各个车轮的制动力F_b,ij，输入给CarSim汽车模型，实现汽车的避撞控制。