CN101973313A - 基于自治体技术的车辆转向稳定控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自治体技术的车辆转向稳定控制装置及方法，涉及用于车辆转向稳定自动控制领域。本发明的装置包括车身横摆角速度传感器、车身侧倾角传感器、侧偏角传感器、车速传感器、方向盘转角传感器、转向执行器、轮胎执行器、中央处理器。本发明的方法为：首先，中央处理器通过see过程接受外界环境变量值，再到bmp过程形成新的Bel(ief),opt过程进行对Int(ention)的修正，在通过filter对Des(ire)修正，最终exe执行Int(ention)。用于车辆转向稳定区域的判定，抑制转向中的参数混沌现象，增加汽车的主动安全性。

Description

基于自治体技术的车辆转向稳定控制装置及方法

技术领域

本发明涉及用于车辆转向稳定自动控制领域。

背景技术

当代，车辆的转向稳定性是影响汽车主动安全性的重要因素。目前对转向稳定性的研究主要为相平面法和非线性动力学，但是这些方法对于车辆转向稳定区域的判定都有一定的局限性。如郭孔辉建立的转弯动能与前进动能之比相平面，和SHOJI等建立的侧偏角与侧偏角变化率相平面分析方法对于解释试验现象、进行定量分析都显示了很好的效果，但在实际应用中有很大的求解困难。JOHN等建立的横摆角速度与侧向速度相平面车辆侧向稳定区域分析方法，对于定量确定侧向稳定区域提供了较好的方法，但忽略了转向盘转角、车速以及车身侧偏角对稳定区域的重要影响，并且受轮胎简化模型的限制，未从理论上分析在该稳定区域之外车辆的状态及变化趋势。施树明等从车辆一轮胎模型出发对车辆的转向稳定性进行分析，根据协同学和非线性动力学的理论和处理方法，构建车辆系统关于车身侧偏角、转向盘转角以及车辆速度等主要参量的势能函数，并对势能函数进行定性和定量的分析得到车辆转向稳定区域。但是系统还存在大量有害的混沌现象，如何合理的解释，为判定和控制提供更为精确的依据和方法等问题亟待解决。

在工程领域中很多复杂的实际环境无法精确客观描述的情况下，自适应方法能弥补传统方法的不足，因此人工智能自治体的研究越来越受到人们的关注。自治体技术涉及到计算机科学与技术、人工生命、人工智能等重要研究领域，由于它能够利用自治体的自主性、社会性和反应性等优秀特性，在处理混沌、开放和异构的复杂问题时具有特殊的优点，因此成为解决自适应问题求解的重要手段。

从工程应用角度和目前机器建造水平来看，实现的基本方式仍为硬件加软件的构架。从仿生学领域抽象描述就是物质和精神两个层面结合生成了能作用于自身和环境，并能对环境做出反应的个体。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种基于自治体技术的车辆转向稳定控制装置及方法，能够实时的对转向进行监测和控制。

本发明的装置包括车身横摆角速度传感器、车身侧倾角传感器、侧偏角传感器、车速传感器、方向盘转角传感器、转向执行器、轮胎执行器、中央处理器。车身横摆角速度传感器、车身侧倾角传感器和侧偏角传感器安装于车身质心处。车速传感器安装于轮毂处，方向盘转角传感器安装于转向轴靠近转向盘处，转向执行器安装于转向轴底端，轮胎执行器安装于轮胎内部；中央处理器输入端接收车身横摆角速度传感器、车身侧倾角传感器、侧偏角传感器、车速传感器、方向盘转角传感器信号，中央处理器输出端连接车辆转向执行器、轮胎执行器；中央处理器内部存储基于滑模变的自治体的控制程序。

本发明的方法包括：首先，中央处理器通过see 过程接受外界环境变量值，再到bmp 过程形成新的Bel（ief）,opt 过程进行对Int（ention）的修正，在通过filter 对Des（ire）修正，最终exe 执行Int（ention）。

“see”表示某个外部状态S={s1,s2,s3,s4,s5 };经过被Agent 接收后在内部存储为P ={p1,p2,p3,p4,p5 }的过程。S={s1,s2,s3,s4,s5 };其中s1为中央处理器接收的车身横摆角速度传感器信号值，s2为中央处理器接收的车身侧倾角传感器信号值，s3为中央处理器接收的车身侧偏角传感器信号值，s4为中央处理器接收的车速传感器信号值，s5为中央处理器接收的方向盘转角传感器信号值； P ={ p1,p2,p3,p4,p5 }；p1为车身横摆角速度值，p2为车身侧倾角值，p3为车身侧偏角值，p4为车速值，p5为方向盘转角值.

“bmp”表示根据最新P状态，修正原有Bel（ief），形成与当前P相对应的Bel（ief）的过程，其实现过程描述为：对给定p（p∈P），若??(p,B)∈γ (Bel)，则B 为对应Bel（ief）。

“opt”表示Agent 根据原有Des（ire），遵循修正后与当前环境相对应的Bel（ief）规则，制定现在可执行的Int（ention）的过程。因此,本专利采用以下优化目标设计滑动模平面：

a)出于对车辆安全的考虑，要使车辆拥有不足转向或者中性转向，即稳定裕度

；

b)车辆在直线行驶条件下，持续受到小的干扰，如风的扰动或不平的路面，使其偏离本身的平衡状态。为了使车辆受到干扰后能恢复其本身平衡状态保持稳定，将车身的横摆角速度限定在可接受稳定域

中。

“filter”表示按照更新后的可执行的Int（ention），对原有Des（ire）修正的过程。根据Int输出，根据整车模型对车身横摆角速度进行仿真估计，再对原有Des（ire）修正。这一过程是一个不断进化的过程。Agent将Int（ention）与Des（ire）不断的相互修正达到最优化的结果。

 “exe”表示Agent 根据最终制定出的Int（ention），通过功率驱动电路，推动转向执行器控制方向盘转角，通过轮胎执行器对轮胎气压控制等。即将Int（ention）中的控制量，换算成驱动电信号值。

本发明的有益效果是，优化目标的特殊设计解决了车辆转向稳定区域的判定的局限性，基于滑模变的车辆转向稳定控制策略有效地抑制了转向中的混沌现象，能够增加汽车的主动安全性。

附图说明

下面结合相应附图对本发明的具体实施方式进行详细描述。

图1是汽车转向的俯视图，用来说明车辆横摆的原理。

图2是汽车转向的后视图，用来说明车辆侧倾的原理。

图3是系统结构图，用来说明系统的组成。 

图4是自治体示意图，用来说明转向自治体的原理。

图5是自治体工作流程图，用来说明转向自治体的工作过程。

图中，1为转向盘，2为转角传感器，3为转向执行器，4为轮胎执行器的轮胎，5为车速传感器。

具体实施方式

<转向系统模型>

根据车辆动力学在如图1、2坐标系中建立如下模型：

同时定义如下指标衡量转向系统稳定性：

1.    稳定裕度：

2.    稳定域

式中，m为整车质量； 

为车身的横摆角速度； Iz为惯性积；

为前、后、左右车轮侧向力；

、

为重心至前、后轴距；

为侧倾力臂；e为前轮拖矩；为车身侧倾角； 

为重心处的侧偏角；

为前轮转角；ms为悬架质量；u为车速；为轴距；

为可接受稳定域。

<车身侧倾角传感器>

选用VG400CC-200陀螺仪传感器采集车身侧倾角信号，将其安装于车身质心处。

<车身横摆角速度传感器>

选用VG400CC-200陀螺仪传感器采集车身侧倾角信号，将其安装于车身质心处。

<侧偏角传感器>

选用VG400CC-200陀螺仪传感器采集车身侧倾角信号，将其安装于车身质心处。

<车速传感器>

选用光电式传感器采集车轮转速信号，将其安装于轮毂处。

<方向盘转角传感器>

选用磁感应式传感器采集方向盘转角信号，将其安装于转向轴靠近转向盘处。

<车辆转向执行器>

选用直流电机控制转向轴的转向，将其安装于转向轴底端。

<轮胎执行器>

选用轮胎自动充放气装置，将其安装于轮胎处。

<中央处理器连接方式>

中央处理器输入端接收车身横摆角速度传感器、车身侧倾角传感器、侧偏角传感器、车速传感器、方向盘转角传感器等信号；中央处理器输出端连接车辆转向执行器、轮胎执行器；中央处理器内部存储基于滑模变的自治体的控制策略。

<自治体技术控制流程>

中央处理器运用计算机学科中的自治体理论，模仿人们为了实现一定的目标而采取一系列行动的过程（如图2、图3）。首先，中央处理器通过see 过程接受外界环境变量值，再到bmp 过程形成新的Bel（ief）,opt 过程进行对Int（ention）的修正，在通过filter 对Des（ire）修正，最终exe 执行Int（ention）。

控制策略结构（Agent）的数学表达如下：

Agent::={Aid,P,B,D,I,A,see,bmp,opt,filter,exe}

其中，Aid为Agent 的唯一标志，用于区分不同的Agent 实体；P为环境状态集，p( p∈P)表示某个外部状态s 经过Agent 接收后在Agent 内部的映射； Acn为Agent 所有可能的行动方案构成的集合，则有A∈γ (Αcn)，A 表示某个确定的方案集；Bel 为Agent 所有可能的Bel（ief）规则构成的集合，则有Β∈γ (Βel )表示某个确定的Bel（ief）集；Des 为Agent 所有可能的Des（ire）构成的集合，则有D∈γ (Des)表示某个确定的Des（ire）集；Int为Agent 所有可能的Int（ention）构成的集合，则有I ∈γ (Int )表示某个确定的Int（ention）集。

根据以上定义，Agent 的内部行为可表示为以下映射：

see: S→P

bmp: γ (Βel )× P→γ (Βel )

opt: γ (Βel )×γ (Int)→γ (Des)

filter: γ (Βel )×γ (Des)×γ (Int)→γ (Int)

exe: γ (Int)→Α。

<基于滑模变的车辆转向稳定控制策略>

“see”表示某个外部状态S={s1,s2,s3,s4,s5 };经过被Agent 接收后在内部存储为P ={p1,p2,p3,p4,p5 }的过程。S={s1,s2,s3,s4,s5 };其中s1为中央处理器接收的车身横摆角速度传感器信号值，s2为中央处理器接收的车身侧倾角传感器信号值，s3为中央处理器接收的车身侧偏角传感器信号值，s4为中央处理器接收的车速传感器信号值，s5为中央处理器接收的方向盘转角传感器信号值； P ={ p1,p2,p3,p4,p5 }；p1为车身横摆角速度值，p2为车身侧倾角值，p3为车身侧偏角值，p4为车速值，p5为方向盘转角值。

“bmp”表示根据最新P状态，修正原有Bel（ief），形成与当前P相对应的Bel（ief）的过程，其实现过程描述为：对给定p（p∈P），若??(p,B)∈γ (Bel)，则B 为对应Bel（ief）。

由于方程（1）是具有高度非线性、参数摄动(如轮胎力的变化等)和外部扰动(如阵风、路面不平等造成的转向)不确定的混沌动力系统，采用滑模变作为Bel（ief）规则对转向和轮胎状态进行控制,能够有效的抑制混沌危害。

“opt”表示Agent 根据原有Des（ire），遵循修正后与当前环境相对应的Bel（ief）规则，制定现在可执行的Int（ention）的过程。因此,本专利采用以下优化目标设计滑动模平面：

a)出于对车辆安全的考虑，要使车辆拥有不足转向或者中性转向，即稳定裕度

；

b)车辆在直线行驶条件下，持续受到小的干扰，如风的扰动或不平的路面，使其偏离本身的平衡状态。为了使车辆受到干扰后能恢复其本身平衡状态保持稳定，将车身的横摆角速度限定在可接受稳定域中。

“filter”表示按照更新后的可执行的Int（ention），对原有Des（ire）修正的过程。根据Int输出，根据整车模型对车身横摆角速度进行仿真估计，再对原有Des（ire）修正。这一过程是一个不断进化的过程。Agent将Int（ention）与Des（ire）不断的相互修正达到最优化的结果。

 “exe”表示Agent 根据最终制定出的Int（ention），通过功率驱动电路，推动转向执行器控制方向盘转角，通过轮胎执行器对轮胎气压控制等。即将Int（ention）中的控制量，换算成驱动电信号值。

Claims (7)

1.一种基于自治体技术的车辆转向稳定控制装置，其特征在于：包括车身横摆角速度传感器、车身侧倾角传感器、侧偏角传感器、车速传感器、方向盘转角传感器、转向执行器、轮胎执行器、中央处理器；所述车身横摆角速度传感器、车身侧倾角传感器和侧偏角传感器安装于车身质心处；所述车速传感器安装于轮毂处，所述方向盘转角传感器安装于转向轴靠近转向盘处，所述转向执行器安装于转向轴底端，所述轮胎执行器安装于轮胎内部；所述中央处理器输入端接收车身横摆角速度传感器、车身侧倾角传感器、侧偏角传感器、车速传感器、方向盘转角传感器信号，中央处理器输出端连接车辆转向执行器、轮胎执行器；中央处理器内部存储基于滑模变的自治体的控制程序。

2. 一种基于自治体技术的车辆转向稳定控制方法，其特征在于：首先，中央处理器通过see 过程接受外界环境变量值，再到bmp 过程形成新的Bel（ief）,opt 过程进行对Int（ention）的修正，在通过filter 对Des（ire）修正，最终exe 执行Int（ention）。

3. 根据权利要求2所述的基于自治体技术的车辆转向稳定控制方法，其特征在于：所述“see”表示某个外部状态S={s1,s2,s3,s4,s5 }；经过被Agent 接收后在内部存储为P ={p1,p2,p3,p4,p5 }的过程；S={s1,s2,s3,s4,s5 }；其中s1为中央处理器接收的车身横摆角速度传感器信号值，s2为中央处理器接收的车身侧倾角传感器信号值，s3为中央处理器接收的车身侧偏角传感器信号值，s4为中央处理器接收的车速传感器信号值，s5为中央处理器接收的方向盘转角传感器信号值； P ={ p1,p2,p3,p4,p5 }；p1为车身横摆角速度值，p2为车身侧倾角值，p3为车身侧偏角值，p4为车速值，p5为方向盘转角值。

4. 根据权利要求2所述的基于自治体技术的车辆转向稳定控制方法，其特征在于：所述“bmp”表示根据最新P状态，修正原有Bel（ief），形成与当前P相对应的Bel（ief）的过程。

5. 根据权利要求2所述的基于自治体技术的车辆转向稳定控制方法，其特征在于：所述“opt”表示Agent 根据原有Des（ire），遵循修正后与当前环境相对应的Bel（ief）规则，制定现在可执行的Int（ention）的过程；采用以下优化目标设计滑动模平面：

出于对车辆安全的考虑，要使车辆拥有不足转向或者中性转向，即稳定裕度     ；

车辆在直线行驶条件下，持续受到小的干扰，如风的扰动或不平的路面，使其偏离本身的平衡状态；

为了使车辆受到干扰后能恢复其本身平衡状态保持稳定，将车身的横摆角速度限定在可接受稳定域

中。

6. 根据权利要求2所述的基于自治体技术的车辆转向稳定控制方法，其特征在于：所述“filter”表示按照更新后的可执行的Int（ention），对原有Des（ire）修正的过程；根据Int输出，根据整车模型对车身横摆角速度进行仿真估计，再对原有Des（ire）修正。

7. 根据权利要求2所述的基于自治体技术的车辆转向稳定控制方法，其特征在于：所述“exe”表示Agent 根据最终制定出的Int（ention），通过功率驱动电路，推动转向执行器控制方向盘转角，通过轮胎执行器对轮胎气压控制等。

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