CN104428187A - 用于控制车辆路线的装置 - Google Patents

Abstract

为控制车辆(1)的路线，该装置包括用于接收至少一个代表了车辆的参考路线(30)与实际路线之间的一个或多个差异(ΨL，yL)的量的至少一个输入端(43，44)。值得注意的是，该装置(40)包括用于实时产生至少一个转向设定点(δr*)的至少一个输出端(46)，该转向设定点可应用于该车辆(1)的至少一个后车轮，其方式为将所述车辆维持在其参考路线和/或将所述车辆带到其参考路线。

Description

用于控制车辆路线的装置

技术领域

本发明涉及一种用于实时产生对车辆轨迹控制的装置。本发明还涉及一种装备有这种装置的车辆。

背景技术

本发明尤其解决的是对主动事故预防的需要。今天，由于意外偏离车道而造成的事故仍占据显著的事故比例。为了增强乘客安全性，机动车辆设计师已经通过生产更耐冲击且吸收显著比例的由撞击产生的能量的车辆而改善了被动预防性。主动预防涉及制造出使得车辆能够估算其动态特性且识别其环境，以便具有反映其情形的风险衡量。于是可以自动地或与驾驶员一起采取措施以便在缺乏警觉性、睡着、生病或无准备的外部事件(例如出现疾风或道路很不平)的情况下将车辆保持在其车道中。这就是主动维持轨迹的安全功能(“车道保持”或“避免偏离车道”)。

从现有技术中获知的包括文件US 7236884，该文件披露了用于机动车辆的车道偏离预防设备。施加了制动力和/或转向控制来控制偏航速度以便在由于道路不平而造成偏离的情况下使车辆返回至车道的中心。

此文件中披露的方法和装置对前车轮的转向加以作用，这对于车辆驾驶员造成了困扰。驾驶员在感觉上可能在他或她的方向盘上明显感觉到扰动。

总体上在现有技术中，主动辅助是经由对前车轮的电动辅助转向或通过对车轮的差动制动来提供的。在前一种情况下，驾驶员感觉到这种辅助干预了方向盘，这可能是令人讨厌的或是一个迷惑的来源。在后一种情况下，产生了车辆的不想要的制动并且这个动作可能被驾驶员错误地理解。而且，这种对制动的动作在时间和其出现方面不一定受限制，换句话说，减少了要驾驶员同意的可能的制动动作的数目。这种对制动的动作使之不可能想象正进行的车道保持辅助。

针对主动轨迹维持功能实施自动动作的一个重要问题在于与驾驶员共享这种车辆引导动作。

伴随的一个问题是寻找适合于在改变车辆轨迹以防止偏离车道的主动自动动作与其动作既非已知也不可预知的驾驶员的感觉之间获得良好折中的致动器。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术的这些问题，尤其是在有效性方面，而同时避免可惜的能量损失。

为了实现这个目的，本发明提出不与驾驶员使用同一个致动器以便不干扰他或她并且避免如制动情况下那样的任何能量和速度的损失。

为此，本发明的主题是一种用于控制车辆轨迹的装置，该装置包括用于接收代表了一条参考轨迹与该车辆的实际轨迹之间的一个或多个偏差的至少一个量的至少一个输入，其特征在于该装置包括用于实时产生至少一个锁止角设定点的至少一个输出，该至少一个锁止角设定点可应用于该车辆的至少一个后车轮以便将所述车辆保持在和/或将其返回至其参考轨迹。

特别地，该装置包括：

-用于实时产生相对于每个偏差以一个离线地量化的比例系数线性地改变的至少一个稳定化校正值的至少一个模块，以便优化改变该稳定化校正值的方式；

-至少一个监督模块，该至少一个监督模块被离线地参数化以便产生与该车辆的运行情况实时地相关联的一个加权系数；以及

-至少一个设定模块，该至少一个设定模块被设计成通过将所述稳定化校正值乘以所述加权系数而实时获得所述锁止角设定点。

更特别地，所述加权系数根据所述运行情况在一个大于或等于零的之前固定的最小值与一个小于或等于单位一的之前固定的最大值之间改变。

有利地，所述运行情况是通过该车辆的一个车桥的中点与该参考轨迹上的对应点之间的侧向距离偏差来量化的。

具体而言，所述加权系数随着所述侧向距离偏差的绝对值的增大而增长。

优选地，该监督模块包括至少一列存储单元，以包含至少一个增益矢量，该至少一个增益矢量包括至少包含所述一个或多个比例系数的坐标。

特别地，该增益矢量被量化的方式为使得一个闭环伺服控制矩阵针对该加权系数的任何值都包括具有负的实数部分的多个极点，所述闭环伺服控制矩阵包括该车辆的一个状态趋势矩阵以及该加权系数与一个相互作用矢量以及该增益矢量的乘积。

更特别地，该增益矢量包括专用于在利用该增益矢量的时刻该车辆的一个当前速度的多个值。

本发明的主题还有一种用于根据本发明离线产生增益矢量的方法，其中该增益矢量是借助于一个工具获得的，该工具通过凸优化来检索满足两个负的线性矩阵不等式的一个未知矩阵和一个未知矢量，这些负的线性矩阵不等式分别针对该加权系数的最小值和最大值，这样使得该增益矢量由所检索到的未知矢量与所检索到的未知矩阵的倒数的乘积得到。

特别地，该工具设有后车轮锁止角和轨迹偏差的最大容许值的方式为使得该工具检索与所述这些最大容许值相符的一个未知矢量和一个未知矩阵。

有利地，该工具被配置成通过凸优化以将该未知矩阵的迹最小化的方式进行搜索。

本发明的主题还有一种机动车辆，该机动车辆包括至少一个如上文所表征的装置，该装置用于实时产生关于该车辆的至少一个后车轮的至少一个锁止角设定点。

本发明的解决方案提供了以下优点。

该车辆的后车轮根据一种闭环控制规律而转动，该闭环控制规律考虑了驾驶员在方向盘上的动作以及车辆在车道中的位置。

该转向后车轮的控制规律允许自动动作与驾驶员动作的同时存在以通过使得驾驶员解脱出来的方式辅助所述驾驶员将车辆保持在车道的中心、并且在不存在驾驶员动作的情况下使得能够避免意外的偏离车道。

该加权系数构成了实时改变的一个独特调节参数，该调节参数调节该辅助的干预强度。

该闭环控制规律对于该实时变化的调节参数的一个取值范围是稳定的。

在该控制规律的设计中考虑了对这些可转向后车轮的致动器的锁止角的限制。

该控制规律被优化以确保在朝向车道中心的瞬时方案过程中相对于车辆在车道上的初始位置具有最小的侧向超调。

该控制规律被优化以考虑到要符合的约束而具有最小响应时间。

附图说明

通过阅读以下说明并参见附图，其他的特征和优点将变得清楚，在附图中：

图1代表可以应用本发明的一种车辆，

图2是遵从本发明的一种装置的简图，

图3是对车辆的行驶进行建模的一个简图，

图4是一个加权系数随着车辆相对于其参考轨迹的位置而变的可能趋势的曲线。

具体实施方式

如图1中可见，车辆1包括底盘2、两个转向前车轮3和4以及两个转向后车轮5和6，这些车轮通过一个未展示出的悬挂机构链接到底盘2上。

车辆1补充带有一个转向系统7，该转向系统包括被安排在前车轮3与4之间的一个齿条8、适合于使得前车轮3和4根据从未展示出的可供车辆驾驶员使用的方向盘机械地或电子地接收的指令地通过齿条8来定向的一个齿条致动器9。

该锁止角辅助控制系统10包括一个控制单元11、感测前车轮3和4的锁止角位置的一个传感器12(例如定位在致动器9上)、感测这些前车轮的旋转速度而使得有可能确定车轮的速度V的一个传感器13、感测该车辆的偏摆速度(即，车辆沿着竖直轴线关于其重心的旋转速度)的一个传感器14、以及感测该车辆重心处的侧向加速度的一个传感器15。传感器14是例如一个陀螺仪。传感器15总体上对于本发明的运作不是必要的。

此外，系统10包括感测后车轮5和6的锁止角的传感器17和18、以及使得有可能将所述后车轮5和6定向的致动器19和20。然而，一个单一的传感器17和一个单一的致动器19可能对于检测锁止角和对于后车轮5和6的定向就足够了。这些位置传感器和速度传感器可以是光学类型的或甚至磁性类型的，例如霍尔效应传感器，在该传感器不旋转时与固定至一个移动部分上的编码器协作。

该控制单元11能以装备有随机存取存储器、只读存储器、中央处理单元和输入/输出接口的一个微处理器的形式生产，这些输入/输出接口使得有可能从这些传感器接收信息并发送指令，尤其是发送给致动器19和20。

更具体而言，控制单元11包括控制车辆1的轨迹的一个控制装置40，如在此参照图2所解释的。

在图2所展示的实施例中，控制装置40一方面包括用于接收完全或部分地分别代表该车辆的一条参考轨迹与实际轨迹之间的偏差β、Ψ_L、y_L的输入端41、42、43、44并且另一方面包括用于产生应用于车辆1的后车轮5、6的一个锁止角设定点δ_r*的至少一个输出端46。

在进入装置40的结构和运作细节之前，基于图3中的虚线所代表的一条参考轨迹30来回顾车辆1的行为规律。

用自行车模型来开始对车辆1的轨迹30进行追踪分析。如相关技术领域中已知的，该自行车模型将车辆1比拟为一根线状杆，该线状杆经过了该车辆的重心CG并且关于与该图的平面成直角且经过了重心的一条轴线具有与该车辆相同的惯性矩J、以及与该车辆相同的质量M。

该参考轨迹30在绝对参照系{O_a，X_a，Y_a}中表示出。在每个时刻t，相对于该轨迹的一个点O_t来识别车辆的位置，这个点构成了一个运动学相对参照系{O_t，X_t，Y_t}的原点，其中轴线X_t与该轨迹在点O_t处相切。轴线X_t与该绝对参照系的轴线X_a形成一个角度Ψ_d。该角度Ψ_d在本发明所述领域一般被称为目标航向角。

当车辆在时刻t完美遵循其轨迹时，重心CG与轨迹30的点O_t相合。当重心CG在与图3的平面中的轴线X_t成直角的轴线Y_t上偏离时，情况并不是如此。

重心CG构成了与车辆相关联的相对参照系{CG，X_CG，Y_CG}的原点，其中轴线X_CG是与在该自行车模型中该车辆所关联的这个杆共线的。所关联的相对参照系{CG，X_CG，Y_CG}与该运动学相对参照系{O_t，X_t，Y_t}形成了一个角度Ψ_L。在车辆根据轨迹30的切线引导的理想情况下，角度Ψ_L的值为零。否则，角度Ψ_L的非零值构成了轨迹偏离。

关于该绝对参考系{O_a，X_a，Y_a}，重心CG以速度V_CG移位，该速度的矢量在相关联的相对参照系{O_t，X_CG，Y_CG}中表示出并与轴线X_CG形成了角度β。于是重心处的速度矢量包括在轴线X_CG上的一个分量v＝V_CG·cosβ以及在轴线Y_CG上的一个分量u＝V_CG·sinβ。速度u对应于横向于车辆的滑移速度。速度v对应于车辆的纵向速度、在无滑移情况下等于速度V_CG。角度β一般被称为偏航角。

将回想起，在相关技术领域，车辆关于一条与该图的平面成直角的轴线Z_a的旋转速度被称为偏摆速度。在以下对本发明的解释的情况下，偏摆速度用字母r表示。由于偏摆速度是车辆的实际航向角Ψ相对于时间的导数，它用以下公式来定义：

$r=\∂\mathrm{\Ψ}/\∂t=\∂{\mathrm{\Ψ}}_d/\∂t+\∂{\mathrm{\ψ}}_L/\∂t$

在图3所展示的自行车模型中，用单一前车轮来表示前车轮3和4，该单一前车轮与轴线X_CG在与重心CG相距一个距离l_f处、形成了一个角度δ_f，为了清楚起见，该距离是没有添加到图中的一个距离。该单一前车轮展现了等于每个车轮3、4的偏航刚度之和的偏航刚度c_f，这两个偏航刚度是从车轮轮胎供应商或者借助于环形跑道上的运行测试而获得的总体上相同的值。

类似地，用单一后车轮来表示后车轮5、6，该单一后车轮与轴线X_CG在与重心CG相距一个距离l_r处、形成了一个角度δ_r，为了清楚起见，该距离也没有添加到图中。该单一后车轮也展现了等于每个车轮5、6的偏航刚度之和的偏航刚度c_r，这两个偏航刚度是从车轮轮胎供应商或者借助于环形跑道上的运行测试而获得的总体上相同的值。

当锁止角δ_f和δ_r具有零值时，偏航角的变化和偏摆速度的变化符合在下文中考虑小的偏航角而回想起的无干扰运动学规律：

$\stackrel{\·}{\mathrm{\β}}=-\frac{2(c_r+c_f)}{\mathrm{Mv}}\mathrm{\β}-(1-\frac{2(l_r{c}_r-l_f{c}_f)}{M{v}^2})r$

$\stackrel{\·}{r}=-\frac{2(l_r{c}_r-l_f{c}_f)}{J}\mathrm{\β}-\left(\frac{2(l_r^2{c}_r-l_f^2{c}_f)}{\mathrm{Jv}}\right)r$

在以上给出的限定偏摆速度的公式中，偏航角的变化也可以按以下方式表示为该参考轨迹30的曲率ρ_ref的函数，曲率ρ_ref等于在每个时刻t的点O_t处曲率半径R的倒数。

$\∂{\mathrm{\Ψ}}_d/\∂t=v\·{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ref}}$

以此方式，对于均匀的直线轨迹，获得以下内容：

$\∂{\mathrm{\Ψ}}_L/\∂t=r$

在图3的代表了车辆1的自行车模型中，考虑了轴线X_t与轴线X_CG之间的偏差y_L，该偏差可以在车辆前部上、在重心CG前方一个距离l_s处测得。

应注意的是，当车辆完美遵循其轨迹时、尤其当重心CG的横向偏移以及偏航角β具有零值或彼此抵消时，该偏差总体上为零。还存在以下情况：车辆完美遵循其轨迹，而由于该参考轨迹的曲率，车辆前部处具有非零的侧向偏差。

在图3的简图中将观察到，轴线的偏差的变化满足以下几何方程：

${\stackrel{\·}{y}}_L=v\·(\tan \mathrm{\β}+\tan {\mathrm{\Ψ}}_L)+l_s\·r$

当角度β和Ψ_L小时，也可以写出以上几何方程：

${\stackrel{\·}{y}}_L=v\·\mathrm{\β}+l_s\·r+v\·{\mathrm{\Ψ}}_L$

本发明的实施考虑了如下地通过使用矩阵语言书写的约定而限定的一个状态矢量x，其中写在一个矢量或矩阵的指数上的字母T代表了这个矢量或这个矩阵的转置：

(β，r，Ψ_L，y_L)^T＝x

以上为估算车辆在其轨迹上的行为所解释的物理定律可以通过下文定义的一个状态趋势矩阵A来概述。

$A=\left(\begin{array}{cccc}-\frac{2(c_r+c_f)}{\mathrm{Mv}}& -1+\frac{2(l_r{c}_r-l_f{c}_f)}{M{v}^2}& 0& 0\\ \frac{2(l_r{c}_r-l_f{c}_f)}{J}& -\frac{2(l_r^2{c}_r+l_f^2{c}_f)}{\mathrm{Jv}}& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ v& l_s& v& 0\end{array}\right)$

应该注意，除速度参数v之外，在状态趋势矩阵A中使用的这些参数在车辆的同一次移动中是恒定的。

在不存在外部干扰的情况下，于是状态矢量x在直线轨迹上的实时趋势如下：

$\stackrel{\·}{x}=\mathrm{Ax}$

当轨迹30非直线时，曲率ρ_ref在该状态矢量的变化上引入一个干扰矢量B_ρ，以使得：

$\stackrel{\·}{x}=\mathrm{Ax}+B_{\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ref}}$

其中B_ρ＝(0，0，-v，0)^T

该系统外部的用于将车辆保持在其轨迹上的其他动作无论是否是经过深思熟虑的，都被认为是可以彼此抵消或不可以彼此抵消的干扰。

因此，例如，由驾驶员控制的、尤其符合轨迹曲率的这些前车轮的锁止角也引入了一个干扰矢量B_f，该干扰矢量影响由位于驾驶员双手之间的方向盘所控制的、甚至由一个自动控制系统控制的(二者均来自本发明的情况)这些前车轮的锁止角δ_f成比例的状态矢量x的时间趋势。

$\stackrel{\·}{x}=\mathrm{Ax}+B_f{\mathrm{\δ}}_f$

也可以涉及更随机的且更难以测量的其他干扰，例如一股横风或例如由于透明薄冰造成的抓地力不连续性。

既然从控制车辆相对于参照轨迹30的行为的物理定律(在本发明的情况下认为是重要的)中已经解释过，我们现在要解释本发明如何对状态矢量x起作用以使得其处于与让车辆保持在其轨迹上相对应的多个值并且使得该状态矢量稳定地保持在这些值上。

装置40包括一个实时产生稳定化校正值δ₀*的模块50。换言之，该校正值δ₀*寻求的是获得一个反映该参考轨迹30的恒定完美追踪的状态矢量x。

为了做到这点，模块50在每个时刻t接收状态矢量x的状态变量的至少一个值、优选每个值，尤其是每个偏差β、Ψ_L、y_L和实际偏摆速度r的值。实际偏摆速度r包括一个与该轨迹相符合的偏摆速度与一个相对于所述符合偏摆速度有偏差的偏摆速度之和。因此，偏摆速度r的仅一部分代表了当存在与该展现出曲率的轨迹相符合的一个偏摆速度时的一个轨迹偏差。偏摆速度r总体代表了的那个轨迹为直线时的轨迹偏差。

为了测量或估算这些状态变量的值，车辆1除了传感器14之外还包括一个相机31。相机31被安排在车辆的前部，例如与中央后视镜齐平，以便拍摄车辆前方道路的图像，并且由此借助于图像处理软件推导出车辆在道路上的位置。相机31对于测量横向偏差y_L是特别有用的。优选为陀螺仪形式的传感器14实时地传送在该固定参照系{O_a，X_a，Y_a}中的竖直偏摆速度r。而且，角度Ψ_L可以是但不一定是借助于已知类型的电子罗盘或借助于类似于用于估算侧向偏差y_L的图像处理算法来获得的。

输入框22从传感器12至14接收信号、并且尤其接收车辆速度V、偏摆速度以及前车轮的角度δ_f。车辆速度可以是通过计算这些前车轮和/或后车轮的、通过车轮防抱死系统的这些传感器测量的速度平均值来获得的。在此情况下，对每个车轮提供一个传感器13，该车轮防抱死系统包括的一个输出端联接到该控制单元11的输入端上以便提供车轮速度信息。替代地，每个传感器13联接至控制单元11的输入端上，该控制单元11于是计算这些车轮的速度平均值。框22将偏摆速度r传输至输入端42、将角度偏差值Ψ_L传输至输入端43并且将偏差值y_L传输至输入端44，这些值被实时传送给模块50。如果框22具有用于估算偏航角β的装置，则该偏航角的值被传输至输入端41以便直接传送给模块50。对于框22不具有用于估算偏航角β的装置的情况，装置40可以包括一个模块47，该模块由被传输至输入端41的车辆速度v、被传输至输入端45的前轮锁止角以及已经在输入端42处接收到的偏摆速度r来估算出偏航角β。模块47接着例如通过使用专利EP 1544080 B1所传授的状态观测器来生成旨在用于模块50的一个估算偏航角

模块50生成校正值δ₀*是通过将偏差Ψ_L和/或y_L分别乘以一个增益因子k_Ψ、k_y以便将其应用于后车轮的锁止角中来消除所处理的每个偏差。

优选地，模块50在存储器中包含维数等于状态矢量x的维数的至少一个增益矢量K。

K＝[k_β，k_r，k_Ψ，k_y]

模块50接着通过计算增益矢量K与状态矢量x的无向量乘积而生成校正值δ₀*。

${\mathrm{\δ}}_0*=K\·x=k_{\mathrm{\β}}\widehat{\mathrm{\β}}+k_{r}r+k_{\mathrm{\Ψ}}{\mathrm{\Ψ}}_L+k_y{y}_L$

因此，校正值δ₀*相对于至少一个偏差Ψ_L、y_L以一个比例系数k_Ψ、k_y线性地改变。这个或这些比例系数是离线确定的从而优化改变该稳定化校正值δ₀*的方式，如将在本说明书中下文所见。

在本发明的最简单的实施模式中，校正值δ₀*在输出端46上被直接传输以便用锁止角设定点δ_r*的方式应用于这些可转向后车轮。

有利地，装置40包括用于产生与车辆1的运行情况实时相关联的一个加权系数μ的一个监督模块48、以及被设计成通过将稳定化校正值δ₀*乘以该可变加权系数μ而获得锁止角设定点δ_r*的一个设定模块49。

加权系数μ是离线地参数化的以便以一个执行迅速的且实时兼容的公式或以由一个变量可寻址的表格的形式被存储，该变量将应用了加权系数μ的运行情况进行量化。

图4展示了加权系数μ的可能变化。加权系数μ所依据的实时变量被绘制成横坐标，而加权系数μ本身在一个最小值μ_min与一个最大值μ_max之间被绘制成纵坐标。加权系数μ的最大值通常取值为等于单位一，以便获得在有效性和稳定性方面最佳加权的增益μΚ。加权系数μ的最小值位于零与该最大值之间。当最小值取值为等于零时，总体上在该车辆的某些运行情况下不能实现装置40的干预。当最小值取值为等于该最大值而该最大值本身取值为等于单位一时，总体上与该车辆的某些运行情况无关地允许装置40的干预。于是驾驶员可以感觉到轨迹控制的刚度，这不一定会取悦他。在这两个极端之间，加权系数的最小值μ_min(例如基本上等于0.2)通过在运行驾驶员具有更大自由度的车辆运行情况下缓解装置40的干预而使轨迹控制柔和。装置40于是只对驾驶员提供在其轨迹保持方面可接受的帮助。在关键的车辆运行情况下，加权系数接近于其最大值、特别是接近于单位一的值，从而使得装置40的控制强烈促进安全性。

在加权系数μ的第一示例性可能变体中，例如图4所展示的，这个与情况有关的量化变量采取车辆前车桥的中点与参考轨迹30上的对应点之间的侧向距离偏差W_L的值。侧向距离偏差W_L是由以下公式给出的：

w_L：＝y_L+(l_f-l_s)Ψ_L

在车道宽度等于例如3.50m的情况下，车道的极限31、32各自分别位于在车道中间的参考轨迹30左侧和右侧1.75m处。这些前车轮的轮距a等距分布在车辆中线的两侧，对于由以下公式限定的变量var₁为零值时，一个前车轮碰到车道的其中一个极限31、32：

var₁＝|w_L|-(1，75-a/2)

接着用以下表达式来量化图4的曲线：

$\mathrm{\μ}\left(w_L\right):={\mathrm{\μ}}_{\min }+\frac{({\mathrm{\μ}}_{\max }-{\mathrm{\μ}}_{\min })}{2}[1+\frac{\arctan (c_1\·{\mathrm{var}}_1)}{\mathrm{\π}/2}]$

其中参数c₁是用于随着车道上的侧向偏差的变化来设定校正作用的强度升高的斜率的一个参数。校正的干预可以根据所希望的服务而大体上逐渐地完成。参数c₁是构成校准参数的一个参数，可以使得该校准参数在在环形跑道上微调车辆阶段的过程中和/或在将参数c₁的值存储在装置40的一个存储器结构位置中之前根据对驾驶员资料的测试来改变。

要指出的是，对后车轮的校正作用随着车辆前车桥的中点接近道路边缘而加剧。

针对加权系数μ的变化的其他规律是可想到的。以展示的方式，运行情况可以与驾驶员有意离开当前车道以例如意图修改其路线或避开障碍物的决定相关。与上下文相关的量化变量于是典型地是在前车轮上给出锁止角参考值δ_f*的方向盘角度。与图4中呈现的变体截然相反，加权系数μ从方向盘给出的锁止角参考值δ_f*为零时(从而传达驾驶员要保持在直线上的强烈愿望)的最大值出发，在方向盘给出的锁止角参考值δ_f*为高量值时(从而传达驾驶员要完全控制器车辆转向的强烈愿望)采取最小值。

在模块49已经将加权系数μ与由模块50生成的校正值δ₀*相乘的情况下，装置40在输出端46上递送一个针对后车轮的、由下文表达的公式给出的锁止角参考值δ_r*。

${\mathrm{\δ}}_r*=K\·x=k_{\mathrm{\β}}\widehat{\mathrm{\β}}+k_{r}r+k_{\mathrm{\Ψ}}{\mathrm{\Ψ}}_L+k_y{y}_L$

应用于后车轮的致动器19、20的锁止角参考值δ_r*提供了一个锁止角δ_r，该锁止角在这些致动器的响应时间常数内是等于锁止角参考值δ_r*的。

应回想到，在如下这些状态变量中涉及了锁止角δ_r：

$\left(\begin{array}{c}\stackrel{\·}{\mathrm{\β}}\\ \stackrel{\·}{r}\\ {\stackrel{\·}{\mathrm{\Ψ}}}_L\\ {\stackrel{\·}{y}}_L\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cccc}-\frac{2(c_r+c_f)}{\mathrm{Mv}}& -1+\frac{2(l_r{c}_r-l_f{c}_f)}{M{v}^2}& 0& 0\\ \frac{2(l_r{c}_r-l_f{c}_f)}{J}& -\frac{2(l_r^2{c}_r+l_f^2{c}_f)}{\mathrm{Jv}}& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ v& l_s& v& 0\end{array}\right)\·\left(\begin{array}{c}\mathrm{\β}\\ r\\ {\mathrm{\Ψ}}_L\\ y_L\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}\frac{2c_r}{\mathrm{Mv}}\\ -\frac{2l_r{c}_r}{J}\\ 0\\ 0\end{array}\right)\·{\left({\mathrm{\δ}}_r\right)}^T$

通过将相互作用矢量Br限定成使得：

$\mathrm{Br}={[\frac{2c_r}{\mathrm{Mv}},-\frac{2l_r{c}_r}{J},\mathrm{0,0}]}^T$

获得闭环车辆状态方程：

$\stackrel{\·}{x}=(A+\mathrm{\μ}\·B_r\·K)\·x=F\·x$

为选择控制规律必须做出多种评估。车辆相对于偏摆速度和偏航角的动态稳定性是由这些因素控制的。将车辆在道路上保持在车道中是由这些因素k_ΨLΨ_L+k_yLy_L控制的。由加权系数μ来调节对后锁止角动作强度的设定。关于加权系数μ所作的唯一假设是，其值由一个正的最小值和一个优选等于单位一的最大值来界定。关于改变加权系数μ的方式没有作出任何假设。

还应注意的是，在上文解释的状态方程中限定的闭环伺服控制矩阵F包括车辆状态趋势矩阵A以及加权系数μ与一个相互作用矢量Br和增益矢量K的转置的乘积，这给出了维数等于状态趋势矩阵A的维数的一个矩阵。

现在已经解释了控制车辆对后车轮的非零锁止角的物理规律，我们将解释如何量化控制规律中的K以获得稳定性。

量化增益矢量K的方式为使得该闭环伺服控制矩阵F包括针对加权系数μ的、位于其最小值与其最大值之间(尤其在0.1与1之间)的任何值都具有负的实数部分的多个极点。

如之前所见，矩阵F包括取决于速度的多个系数。对于一个车辆给定速度v的矢量K的最佳量化对于另一个速度不一定是最佳的。增益矢量K包括在使用增益矢量K的时刻专用于一个车辆当前速度v的多个值。

当轨迹控制装置40被提供来仅以预定速度v并且有可能以该预定速度v周围的一个公差范围内的速度运行时，该生成模块50包括一列存储单元以包含增益矢量K的坐标，这些坐标包括比例系数k_β、k_r、k_Ψ、k_y。

当轨迹控制装置40被提供来在车辆速度v的一个扩大的范围内运行时，该生成模块50可以包括多列存储单元，每列包含与一个分立速度值匹配的增益矢量K的坐标。针对位于两个最接近的分立速度值(多列存储单元被指派给这些分立速度值)之间的一个车辆当前速度v的增益矢量K的这些值是通过这两列的值之间的线性近似来计算的。

还有可能提供单一的一列存储单元，随着车辆速度改变并且当车辆速度改变时，增益矢量K的这些值被下载到这些存储单元中。这列存储单元于是充当了该生成模块50的执行缓冲器。

该生成模块50执行状态矢量x与增益矢量K、也就是与一个高采样执行频率(例如50Hz或更大)的实时相乘，从而不损害该调节环路的稳定性。出于相同的原因，该设定模块49执行校正值δ_r*与加权系数μ的相乘。这是可容易实现的，因为这些相乘和求和运算仍是简单的运算。

增益矢量K的值是离线量化的，也就是以低于该实施频率的一个采样执行频率量化的，例如以1Hz或更小、甚至以零频率。有可能针对相同类型的多种车辆，在零频率下，增益矢量K的值仅被计算一次、接着使其在存储器中可供使用。这种离线量化可以在装置40中进行，如果该装置具有足够的计算资源的话。这种离线量化也可以在可用于车辆开发部门中的强大计算机中完成，以便不增加装置40的成本。

现在解释针对车辆单一速度v进行增益矢量K的离线产生的方法。将理解的是，该方法的动作是按照所须多长重复的以便覆盖该车辆的若干可能的速度。当已经覆盖了所有可能速度时，增益矢量K的值的存储避免了必须重新激活该产生方法。

将回想到的是，针对线性系统的动态稳定性法则要求该矩阵的极点F＝A+μB_rK对于μ的任何值都具有负的实数部分。还将想到的是，如果存在一个函数V(x)＝x^TPx其中P是限定为正的一个方形矩阵(称为李雅普诺夫函数)，则满足这个要求，这样使得：

$\frac{\&PartialD;V}{\&PartialD;t}<0\&ForAll;x\&Element;R^4\mathrm{and}\&ForAll;\mathrm{\&mu;}\&Element;[{\mathrm{\&mu;}}_{\min };{\mathrm{\&mu;}}_{\max }=1]$

将想到的是，对于任何非零的矢量x，方形矩阵在由该矩阵限定的二次形式分别为正或负时被分别定义为正的或负的。例如，这在以上针对矩阵P的情况下就是说，函数V(x)对于任何非零的x值都为正。

矩阵乘积的导数的通常规则以及选择用矩阵F与矢量x的乘积来代替矢量x的导数得到了以下等效矩阵方程：

$x^T\&CenterDot;F^T\&CenterDot;P\&CenterDot;x+x^T\&CenterDot;P\&CenterDot;F\&CenterDot;x<0,\&ForAll;x\&Element;R^4$

以上不等式的左边部分表示的是一个定义的负矩阵，其中通过将矩阵F替换为其作为A和K的函数的一个表达式：

${(A+\mathrm{\&mu;}\&CenterDot;B_r\&CenterDot;K)}^T\&CenterDot;P+P\&CenterDot;(A+\mathrm{\&mu;}\&CenterDot;B_r\&CenterDot;K)<0,\&ForAll;\mathrm{\&mu;}\&Element;[{\mathrm{\&mu;}}_{\min };{\mathrm{\&mu;}}_{\max }=1]$

以上矩阵不等式包含两个张量未知数：矢量K和矩阵P。矢量K和矩阵P必需是该矩阵不等式在μ的任何值的情况下的解。

以上矩阵不等式难以求解，因为它通过它所包括的未知矩阵P与未知矢量K的乘积构成了一个二次张量多项式。

通过将以上不等式的左右两边都乘以一个矩阵Q＝P^-1并且通过执行双射变量变化Y＝K·Q，可以获得以下矩阵不等式：

$Q\&CenterDot;(A^T+\mathrm{\&mu;}\&CenterDot;K^T\&CenterDot;{B_r}^T)+(A+\mathrm{\&mu;}\&CenterDot;B_r\&CenterDot;K)\&CenterDot;Q<0,\&ForAll;\mathrm{\&mu;}\&Element;[{\mathrm{\&mu;}}_{\min };{\mathrm{\&mu;}}_{\max }=1]$

通过发展该适当获得的不等式的构成部分，发现该矩阵不等式相对于这两个新的未知数Q和Y是线性的：

$Q\&CenterDot;A^T+\mathrm{\&mu;}\&CenterDot;Y^T\&CenterDot;{B_r}^T+A\&CenterDot;Q+\mathrm{\&mu;}\&CenterDot;B_r\&CenterDot;Y<0,\&ForAll;\mathrm{\&mu;}\&Element;[{\mathrm{\&mu;}}_{\min };{\mathrm{\&mu;}}_{\max }=1]$

以上描述的公式化使得有可能利用这些线性矩阵不等式(LMI)的特性，根据这些特性足以验证该第一级矩阵多项式对于加权系数μ的每个极值都是负的确定值，因而该矩阵多项式对于加权系数μ位于这些极值之间的所有值都是负的确定值。

市场上有许多工具能够求解线性矩阵不等式。一个纯粹展示性且非排他性的实例尤其是众所周知的名为“Matlab”的“Toolbox LMI”的情况。因特网上也可以免费找到满足GNU许可的软件工具。

于是使用这些已知工具中的一种通过凸优化来找出验证以下两个线性矩阵不等式LMI的未知矩阵Q和未知矢量Y：

Q·A^T+μ_minY^T·B_r ^T+A·Q+μ_min·B_r·Y＜0

Q·A^T+μ_max·Y^T·B_r ^T+A·Q+μ_max·B_r·Y＜0

于是在该方法中使用该工具使得有可能通过将所找出的未知矢量Y与所找出的未知矩阵Q简单相乘而获得增益矢量K。

在装置40中使用增益矢量K使得有可能通过对后车轮的锁止角起作用而迫使矢量x的状态返回到与不存在轨迹偏差情况相对应的一个参考值。不同于任何伺服控制环路，装置40的这种实施方式具有与所涉及的车辆的不同传递函数相关联的响应时间。

为了减小响应时间，引入一个正的常数ξ来如下地求解这些矩阵不等式：

Q，A^T+μ_min·Y^T·B_r ^T+A·Q+μ_min·B_r·Y+2ξ·Q＜0

Q·A^T+μ_max·Y^T·B_r ^T+A·Q+μ_max·B_r·Y+2ξ·Q＜0

为了确保所获得增益矢量K不对后车轮生产一个超出了致动器19、20可以对其作出响应的锁止角设定点，该工具设有后车轮的最大容许锁止角值δ_r ^max并且要求它遵守关于矢量Y和矩阵Q的以下约束：

$\left(\begin{array}{cc}1& \frac{1}{{\mathrm{\&delta;}}_r^{\max }}Y\\ \frac{1}{{\mathrm{\&delta;}}_r^{\max }}{Y}^T& Q\end{array}\right)>=0$

为了确保所获得的增益矢量不引起在使得校正起点位于标称驱动方案之内的程度上超出最大容许值的轨迹，该工具设有限定了标称驱动方案的最大容许状态变量值±β^N、±r^N、±Ψ^N、±y_L ^N，并且要求它关于包括矩阵Q和线矩阵zi(i从1变化至8)的这八个矩阵中的每一个都遵守以下约束：

$\left(\begin{array}{cc}1& z_i\\ z_i^T& Q\end{array}\right)>=0$

以上提及的矩阵由四个矩阵构成，其维数如下：

(11x4

4x 14x4)＝

(1z z z z

z q q q q

z q q q q

z q q q q

z q q q q)

最后，该工具被配置成通过凸优化以将该未知矩阵Q的迹最小化的方式进行搜索以遵守以上讨论的约束。

Claims (12)

1.一种用于控制车辆(1)的轨迹的装置(40)，该装置包括用于接收代表了一条参考轨迹(30)与该车辆的实际轨迹之间的一个或多个偏离(Ψ_L，y_L)的至少一个量的至少一个输入(43，44)，其特征在于，该装置包括用于实时产生至少一个锁止角设定点(δ_r*)的至少一个输出(46)，该至少一个锁止角设定点可应用于该车辆(1)的至少一个后车轮以便将所述车辆保持在和/或将其返回至其参考轨迹。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置包括：

-用于实时产生相对于所接收的每个偏差(Ψ_L，y_L)以一个离线地量化的比例系数(k_Ψ，k_y)线性地改变的至少一个稳定化校正值(δ₀*)的至少一个模块(50)，以便优化改变该稳定化校正值(δ₀*)的方式；

-至少一个监督模块(48)，该至少一个监督模块被离线地参数化以便产生与该车辆(10)的运行情况实时地相关联的一个加权系数(μ)；

-至少一个设定模块(49)，该至少一个设定模块被设计成通过将所述稳定化校正值(δ₀*)乘以所述加权系数(μ)而实时获得所述锁止角设定点(δ_r*)。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述加权系数(μ)根据所述运行情况在一个大于或等于零的之前固定的最小值(μ_min)与一个小于或等于单位一的之前固定的最大值(μ_max)之间改变。

4.如权利要求2或3之一所述的装置，其特征在于，将所述运行情况通过该车辆的一个车桥的中点与该参考轨迹(30)上的对应点之间的侧向距离偏差(w_L)来量化。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述加权系数(μ)随着所述侧向距离偏差(w_L)的绝对值的增大而增长。

6.如权利要求2至5之一所述的装置(40)，其特征在于，所述生成模块(50)包括用于包含至少一个增益矢量(K)的至少一列存储单元，该增益矢量包括至少包含所述一个或多个比例系数(k_Ψ，k_y)的坐标。

7.如权利要求3和6所述的装置(40)，其特征在于，该增益矢量(K)被量化的方式为使得一个闭环伺服控制矩阵(F)针对该加权系数(μ)的任何值都包括具有负的实数部分的多个极点，所述闭环伺服控制矩阵(F)包括该车辆的一个状态趋势矩阵(A)以及该加权系数(μ)与一个相互作用矢量(Br)以及该增益矢量(K)的乘积。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，该增益矢量(K)包括专用于在利用该增益矢量(K)的时刻该车辆的一个当前速度(v)的多个值。

9.用于离线产生如权利要求6至8之一所述的增益矢量(K)的方法，其中，该增益矢量(K)是借助于一个工具获得的，该工具通过凸优化来检索满足两个负的线性矩阵不等式(LMI)的一个未知矩阵(Q)和一个未知矢量(Y)，这些负的线性矩阵不等式分别针对该加权系数(μ)的最小值(μ_min)和最大值(μ_max)，这样使得该增益矢量(K)由所检索到的未知矢量(Y)与所检索到的未知矩阵(Q)的倒数的乘积得到。

10.如权利要求9所述的产生方法，其中，该工具设有后车轮锁止角和轨迹偏差的最大容许值的方式为使得该工具检索与所述这些最大容许值相符的一个未知矢量(Y)和一个未知矩阵(Q)。

11.如权利要求9或10之一所述的产生方法，其中，该工具被配置成通过凸优化以将该未知矩阵(Q)的迹最小化的方式进行该搜索。

12.一种机动车辆，其特征在于，该机动车辆包括至少一个如权利要求1至8中所示的、用于实时产生关于该车辆的至少一个后车轮(5，6)的至少一个锁止角设定点(δ_r*)的装置。