CN106585625B

CN106585625B - 一种四轮转向车辆防侧翻系统及其控制方法

Info

Publication number: CN106585625B
Application number: CN201611254300.8A
Authority: CN
Inventors: 季林; 赵万忠; 金颖智
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2016-12-30
Filing date: 2016-12-30
Publication date: 2023-05-23
Anticipated expiration: 2036-12-30
Also published as: CN106585625A

Abstract

本发明公开了一种四轮转向车辆防侧翻系统及其控制方法，车辆防侧翻系统包含传感器模块、线控后轮转向模块、前轮差速制动模块、侧翻评价单元、路径规划单元和控制器ECU；传感器模块包含车速传感器、方向盘转角传感器、车身侧倾角速度传感器、车身侧倾角传感器、横摆角速度传感器和加速度传感器。本发明通过前轮差速制动模块进行防侧翻控制，并通过后轮转向模块保持驾驶员的原有驾驶意图，避免了传统防侧翻控制时未考虑驾驶意图而可能导致的二次事故。

Description

一种四轮转向车辆防侧翻系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及汽车主动安全领域，尤其涉及一种四轮转向车辆防侧翻系统及其控制方法。

背景技术

随着经济的发展，全世界汽车保有量持续增长，汽车已成为人们生活中必不可少的交通工具。近些年来，交通运输迅速发展，公路建设日益完善，汽车行驶速度不断提高，然而，随之产生的交通安全问题也日益突出，由交通事故带来的人员伤亡和财产损失问题也愈发严重。因此，人们在关注汽车舒适性，经济性的同时，也把目光更多地转向了安全性。汽车侧翻是影响汽车安全性的重要问题。美国国家公路交通安全管理局(National HighwayTraffic Safety Administration,NHTSA)的统计数据显示，2010年，由汽车侧翻所引发的交通事故仅占总交通事故的2.2％，但其中7659人死亡，占总交通事故死亡人数的34.5％，可见，侧翻事故虽然发生频率较低，所导致的乘员死亡率却非常高。

在主动安全防侧翻技术方面，主动转向系统能够独立于驾驶员的转向干预，特别是在危险驾驶条件下可以通过附加转角主动改变给定驾驶员的方向盘角度，减小不足转向或过度转向倾向，从而大大提高整车的操纵稳定性。差动制动技术方面，当车辆发生不足转向时，车辆会有远离理想轨迹曲线的趋势，转向过度情况相反，其转向半径变小。这两种转向情况都将使车辆偏离预定航线。

而目前的主流的主动防侧翻安全技术主要是通过主动转向和差速制动技术，虽然能够降低车辆发生侧翻的风险，但这两种技术都会改变车辆偏离驾驶员的驾驶意图从而导致撞车，驶出道路等二次危害。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种四轮转向车辆防侧翻系统及其控制方法，可以在防侧翻控制的同时，通过后轮转向技术保持原有路径。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种四轮转向车辆防侧翻系统，包含传感器模块、线控后轮转向模块、前轮差速制动模块、侧翻评价单元、路径规划单元和控制器ECU；

所述传感器模块包含车速传感器、方向盘转角传感器、车身侧倾角速度传感器、车身侧倾角传感器、横摆角速度传感器和加速度传感器，分别用于测量四轮转向车辆的车速、方向盘转角、车身侧倾角速度、车身侧倾角、横摆角速度和车身侧向加速度；

所述线控后轮转向模块用于根据接收到的后轮转角信号控制四轮转向车辆两个后轮的转角；

所述四轮转向车辆两个前轮中其中一个前轮的制动压力恒定，所述前轮差速制动模块用于根据接收到的前轮差动制动信号调节所述四轮转向车辆另一个前轮的制动压力，使得两个前轮制动压力的差值和接收到的前轮差动制动信号相应；

所述侧翻评价单元分别和车身侧倾角传感器、车身侧倾角速度传感器、加速度传感器相连，用于根据车身侧倾角传感器、车身侧倾角速度传感器、加速度传感器的感应数据计算侧翻评价值后将其传递给控制器ECU，并在所述侧翻评价值大于预设的侧翻阈值时发送触发信号给所述路径规划单元；

所述路径规划单元分别和所述车速传感器、方向盘转角传感器相连，用于根据车速传感器、方向盘转角传感器的感应数据计算出理想横摆角速度，并将其发送给所述控制器ECU；

所述控制ECU分别和侧翻评价单元、路径规划单元、横摆角速度传感器、线控后轮转向模块、前轮差速制动模块相连，用于在接收到的侧翻评价值大于预设的侧翻阈值时，将接收到的侧翻评价值和预设的侧翻阈值作差得到前轮差动制动信号、将接收到的理想横摆角速度和当前横摆角速度作差得到后轮转角信号，并将前轮差动制动信号输出给所述前轮差速制动模块、将后轮转角信号输出给所述线控后轮转向模块。

本发明还公开了一种基于该四轮转向车辆防侧翻系统的控制方法，包含以下步骤：

步骤1)，车身侧倾角传感器、车身侧倾角速度传感器、加速度传感器分别感应四轮转向车辆的车身侧倾角、车身侧倾角速度、车身侧向加速度，并将其传递给侧翻评价单元；

横摆角速度传感器感应四轮转向车辆的横摆角速度，并将其传递给控制ECU；

车速传感器、方向盘转角传感器分别感应四轮转向车辆的车速、方向盘转角，并将其传递给路径规划单元；

步骤2)，侧翻评价单元根据接收到的车身侧倾角、车身侧倾角速度、车身侧向加速度计算出侧翻评价值后将其传递给控制器ECU，并在所述侧翻评价值大于预设的侧翻阈值时发送触发信号给所述路径规划单元；

步骤3)，路径规划单元根据接收到的车速、方向盘转角传计算出理想横摆角速度并将其发送给控制器ECU；

步骤4)，控制ECU将接收到的侧翻评价值和预设的侧翻阈值做比较；

步骤4.1)，如果接收到的侧翻评价值大于预设的侧翻阈值；

步骤4.1.1)，将接收到的侧翻评价值和预设的侧翻阈值作差得到侧翻差值，将接收到的理想横摆角速度和当前横摆角速度作差得到横摆角速度差值，并根据侧翻差值、横摆角速度差值计算得到前轮差动制动信号和后轮转角信号；

步骤4.1.2)，将前轮差动制动信号输出给所述前轮差速制动模块；

步骤4.1.3)，将后轮转角信号输出给所述线控后轮转向模块。

作为本发明一种四轮转向车辆防侧翻系统的控制方法进一步的优化方案，步骤2)中侧翻评价单元根据接收到的车身侧倾角、车身侧倾角速度、车身侧向加速度计算出侧翻评价值的具体步骤如下：

步骤2.1)，建立四轮转向车辆的差动制动车辆模型：

式中，前后轮的侧偏角α_f、α_r分别为：

β为质心侧偏角，a为质心到前轴距离，b质心到后轴距离，r为横摆角速度，v_x为纵向车速，δ_f为前轮转角，δ_r为后轮转角；

m汽车总质量，a_y为车身侧向加速度，m_s为簧上质量，e为簧载质心到侧倾中心的距离，

为车身侧倾角加速度，k₁、k₂分别为前后轮的侧偏刚度，I_x为汽车总质量绕车辆坐标系X轴的转动惯量，g为重力加速度，φ为车身侧倾角，K_φ为侧倾刚度，C_φ为侧倾阻尼，/>

为车身侧倾角速度，I_z为整车质量绕车辆坐标系Z轴的转动惯量，/>

为横摆角加速度，Δp为制动压力差，k为制动轮缸压力系数；

步骤2.2)，取簧上质量对侧倾中心O点的力矩平衡：

式中，I_xs为汽车簧载质量绕车辆坐标系X轴的转动惯量。

步骤2.3)，簧下质量对两侧车轮接地点连线中心取矩得：

式中，F_R为右侧车轮垂向力，F_L为左侧车轮垂向力，T为轮距，m_d为簧下质量，h_d为簧下质量质心到地面距离；

步骤2.4)，根据以下公式计算侧翻评价值LTR：

作为本发明一种四轮转向车辆防侧翻系统的控制方法进一步的优化方案，步骤3)中路径规划单元根据接收到的车速、方向盘转角传计算出理想横摆角速度的具体步骤如下：

步骤3.1)，建立四轮转向车辆的三自由度运动学方程：

式中，u为无差速制动信号前纵向车速，δ_sw为方向盘转角信号，θ为汽车横摆角，G为传动比；

步骤3.2)，由三自由度运动学方程求得驾驶员的期望路径y＝f(x)，其中，y为侧向位移，x为纵向位移；

步骤3.3)，根据以下公式计算曲率k：

步骤3.4)，根据以下公式计算理想横摆角速度信号r^*：

r^*＝k·u′

其中，u′差速制动实施后的车速信号。

作为本发明一种四轮转向车辆防侧翻系统的控制方法进一步的优化方案，所述控制器ECU采用如下闭环控制系统：

式中，Z₁为干扰抑制评价输出，Z₂为侧翻阈值追踪评价输出，Z₃为横摆角速度追踪评价输出，Z₄、Z₅分别为后轮转角评价输出和制动压力差评价输出；y₁、y₂分别为后轮转角控制输出和制动压力差控制输出；F_w为侧向风的风力大小，无输入时默认为0；d_r为路面垂向力大小，无输入时默认为0；W_d1、W_d2、W_d3分别为预设的侧向风、路面干扰、方向盘转角干扰的加权函数，W₁为预设的干扰抑制加权函数，W₂为预设的追踪新能加权函数，W₃和W₄为预设的的正常数；G₁为预设的侧翻评价指标的传递函数，G₂为预设的横摆角速度的传递函数；LTR*为侧翻阈值，r*理想横摆角速度，δ_sw为方向盘转角，δ_r为后轮转角，ΔP为差速制动信号。

作为本发明一种四轮转向车辆防侧翻系统的控制方法进一步的优化方案，所述步骤4.1.1)中根据侧翻差值、横摆角速度差值计算得到前轮差动制动信号和后轮转角信号的详细步骤如下：

步骤4.1.1.1)，基于以下限定条件求解出H₂/H_∞控制器ECU的矩阵K：

步骤4.1.1.2)，根据以下公式计算出前轮差动制动信号的值Δp和后轮转角信号的值δ_r：

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.在通过差速制动实行防侧翻的基础上，通过实时更新的理想横摆角速度信号进行线控后轮转向，达到了与驾驶员期望路径一致的效果，避免了只考虑防侧翻而导致的路径偏移可能导致的二次事故。

2.采用鲁棒H2/H∞理论考虑车速不确定性及路面及侧向风的干扰，保证了系统的鲁棒性及控制器输出的最小化。

附图说明

图1是控制系统工作流程图；

图2是路径规划单元原理图；

图3是控制器ECU结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，本发明公开了一种四轮转向车辆防侧翻系统，包含传感器模块、线控后轮转向模块、前轮差速制动模块、侧翻评价单元、路径规划单元和控制器ECU；

驾驶员输入方向盘转角，经过前轮转向机械结构实现车辆的转向操控。

本发明还公布了一种基于该四轮转向车辆防侧翻系统的控制方法，包含以下步骤：

横摆角速度传感器感应四轮转向车辆的横摆角速度，并将其传递给侧翻评价单元和控制ECU；

步骤2)，侧翻评价单元根据接收到的车身侧倾角、车身侧倾角速度、横摆角速度、车身侧向加速度计算出侧翻评价值后将其传递给控制器ECU，并在所述侧翻评价值大于预设的侧翻阈值时发送触发信号给所述路径规划单元；

步骤4.1)，如果接收到的侧翻评价值大于预设的侧翻阈值；

步骤4.1.3)，将后轮转角信号输出给所述线控后轮转向模块。

步骤2)中侧翻评价单元根据接收到的车身侧倾角、车身侧倾角速度、横摆角速度、车身侧向加速度计算出侧翻评价值的具体步骤如下：

步骤2.1)，建立四轮转向车辆的差动制动车辆模型：

式中，前后轮的侧偏角α_f、α_r分别为：

为横摆角加速度，Δp为制动压力差，k为制动轮缸压力系数；

步骤2.2)，取簧上质量对侧倾中心O点的力矩平衡：

式中，I_xs为汽车簧载质量绕车辆坐标系X轴的转动惯量。

步骤2.3)，簧下质量对两侧车轮接地点连线中心取矩得：

步骤2.4)，根据以下公式计算侧翻评价值LTR：

如图2所示，步骤3)中路径规划单元根据接收到的车速、方向盘转角传计算出理想横摆角速度的具体步骤如下：

步骤3.1)，建立四轮转向车辆的三自由度运动学方程：

式中，u为无差速制动信号前纵向车速，δ_sw为方向盘转角信号，θ为汽车横摆角，G为方向盘到前轮转角传动比。

步骤3.2)，由三自由度运动学方程求得驾驶员的期望路径y＝f(x)，其中，y为侧向位移，x为纵向位移。

步骤3.3)，根据以下公式计算曲率k：

步骤3.4)，根据以下公式计算理想横摆角速度信号r^*：

r^*＝k·u′

其中，u′差速制动实施后的车速信号。

控制器ECU的控制方法如下：

根据四轮转向车辆的差动制动车辆模型和齿轮齿条模型(如下)，并考虑路面不平度及侧向风的干扰，建立状态空间方程：

状态量为

输出量为y＝[LTR r]；

干扰量为ω＝[δ_sw d_r F_w]；输入为u＝[δ_r2 ΔP]；

齿轮齿条模型：

式中，θ_s2为齿轮转角，Jr为转向刚度，Br为转向阻尼，K_c齿轮齿条为传动比，T_R为回正力矩，θ_r2转向电机转角，α为电机齿圈传动比，dr为路面垂向力大小，F_w为侧向风的风力大小，无输入时默认为0；d_r为路面垂向力大小，无输入时默认为0；δ_sw为方向盘转角，r为横摆角速度，LTR为侧翻评价单元计算出的侧翻评价值；根据四轮转向车辆的差动制动车辆模型可得状态空间方程的系数矩阵：A、B₁、B₂、C、D₁、D₂。

P＝I_xsm-m_s ²e²Q＝m_s ²e²-I_xsmv_x

式中：T为轮距，g为重力加速度。

如图3所示的H₂/H_∞鲁棒控制其结构，图中的W₁为预设的干扰抑制加权函数，W₂为预设的追踪新能加权函数，W₃和W₄为预设的的正常数，一般采用一个非常的小的正常数；G₁为后轮转角输入到系统输出(侧翻评价指标)的传递函数，G₂为制动压力差到系统输出(横摆角速度)的传递函数。

W₁为保证干扰抑制效果，采用高平通过滤波器，W₂为保证系统的追踪能力，采用低平通过滤波器，W₃和W₄为保证鲁棒控制器有解，采用一个很小的正常数。

从系统输出到评价输出的传递函数矩阵为：

设计H2/H_∞控制器即为控制

其中γ一般为常数1，同时保持/>

值最小，式中，T(s)为系统输出到测量输出的传递函数，S(s)为系统输出到追踪性能的传递函数，R_1(s)，R_2(s)为系统输出到系统输入的传递函数。

根据鲁棒设计的框图得到的广义控制系统如下：

矩阵中W_d1、W_d2、W_d3分别为预设的侧向风、路面干扰、方向盘转角干扰的加权函数。

整个控制结构可以写成如下的闭环控制系统：

式中，Z₁为干扰抑制评价输出，Z₂为侧翻阈值追踪评价输出，Z₃为横摆角速度追踪评价输出，Z₄、Z₅分别为后轮转角评价输出和制动压力差评价输出；y₁、y₂分别为控制系统的两个输入(分别为侧翻阈值与侧翻评价值之差，理想横摆角速度横摆角速度之差)；LTR*为侧翻阈值，r*理想横摆角速度，δ_sw为方向盘转角，δ_r为后轮转角，ΔP为差速制动信号。

所述步骤4.1.1)中根据侧翻差值、横摆角速度差值计算得到前轮差动制动信号和后轮转角信号的详细步骤如下：

控制器ECU采用鲁棒H2/H∞理论考虑车速不确定性及路面及侧向风的干扰，保证了系统的鲁棒性及控制器输出的最小化。

控制器ECU接收到侧翻评价单元和路径规划单元输入的信号，即可保持实际的侧翻评价值和当前横摆角速度值与目标值一致，输出前轮差动制动信号和后轮转角信号，在实现侧翻控制和路径保持的基础上保证系统的鲁棒性及控制器输出值的最小化。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种四轮转向车辆防侧翻系统，其特征在于，包含传感器模块、线控后轮转向模块、前轮差速制动模块、侧翻评价单元、路径规划单元和控制器ECU；

2.基于权利要求1所述的四轮转向车辆防侧翻系统的控制方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤4.1)，如果接收到的侧翻评价值大于预设的侧翻阈值；

步骤4.1.3)，将后轮转角信号输出给所述线控后轮转向模块。

3.根据权利要求2所述的四轮转向车辆防侧翻系统的控制方法，其特征在于，步骤2)中侧翻评价单元根据接收到的车身侧倾角、车身侧倾角速度、车身侧向加速度计算出侧翻评价值的具体步骤如下：

步骤2.1)，建立四轮转向车辆的差动制动车辆模型：

式中，前后轮的侧偏角α_f、α_r分别为：

为横摆角加速度，Δp为制动压力差，k为制动轮缸压力系数；

步骤2.2)，取簧上质量对侧倾中心O点的力矩平衡：

式中，I_xs为汽车簧载质量绕车辆坐标系X轴的转动惯量；

步骤2.3)，簧下质量对两侧车轮接地点连线中心取矩得：

步骤2.4)，根据以下公式计算侧翻评价值LTR：

4.根据权利要求3所述的四轮转向车辆防侧翻系统的控制方法，其特征在于，步骤3)中路径规划单元根据接收到的车速、方向盘转角传计算出理想横摆角速度的具体步骤如下：

步骤3.1)，建立四轮转向车辆的三自由度运动学方程：

式中，u为无差速制动信号前纵向车速，δ_sw为方向盘转角信号，θ为汽车横摆角，G为方向盘到前轮传动比；

步骤3.3)，根据以下公式计算曲率k：

步骤3.4)，根据以下公式计算理想横摆角速度信号r^*：

r^*＝k·u′

其中，u′差速制动实施后的车速信号。

5.根据权利要求4所述的四轮转向车辆防侧翻系统的控制方法，其特征在于，所述控制器ECU采用如下闭环控制系统：

式中，Z₁为干扰抑制评价输出，Z₂为侧翻阈值追踪评价输出，Z₃为横摆角速度追踪评价输出，Z₄、Z₅分别为后轮转角评价输出和制动压力差评价输出；y₁、y₂分别为控制系统的两个输入(分别为侧翻阈值与侧翻评价值之差，理想横摆角速度横摆角速度之差)；F_w为侧向风的风力大小，无输入时默认为0；d_r为路面垂向力大小，无输入时默认为0；W_d1、W_d2、W_d3分别为预设的侧向风、路面干扰、方向盘转角干扰的加权函数，W₁为预设的干扰抑制加权函数，W₂为预设的追踪新能加权函数，W₃和W₄为预设的的正常数；G₁为预设的侧翻评价指标的传递函数，G₂为预设的横摆角速度的传递函数；LTR*为侧翻阈值，r*理想横摆角速度，δ_sw为方向盘转角，δ_r为后轮转角，ΔP为差速制动信号。

6.根据权利要求5所述的四轮转向车辆防侧翻系统的控制方法，其特征在于，所述步骤4.1.1)中根据侧翻差值、横摆角速度差值计算得到前轮差动制动信号和后轮转角信号的详细步骤如下：