CN107117167B - 具有多种避撞模式的汽车差速转向系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有多种避撞模式的汽车差速转向系统及其控制方法，系统包括雷达、车速传感器、横摆角速度传感器、侧向加速度传感器、前轮转角传感器、信号集成模块、判断模块、转向模块、制动模块以及ECU。汽车在行驶时，雷达探测前方车辆的速度以及自车与前车相对距离，ECU根据所测相对距离和转向安全距离、制动安全距离之间的大小关系控制汽车的转向模块、制动模块工作；同时，以横摆角速度以及质心侧偏角为控制参量，利用滑膜控制来调控汽车的稳定性。本发明能够在汽车横纵向提供主动避撞，在紧急情况下辅助驾驶员操纵车辆，提高了汽车行车的安全性以及稳定性。

Description

具有多种避撞模式的汽车差速转向系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及汽车辅助驾驶领域，尤其涉及一种具有多种避撞模式的汽车差速转向系统及其控制方法。
背景技术
随着汽车主动安全越来越受大众关注，汽车的辅助驾驶技术也逐渐进入人们的视线。目前，辅助驾驶技术有车道保持，自动泊车，加速防滑等，它们在一定程度上辅助了驾驶员操纵车辆以及为行车提供一定的安全保障。但是这些辅助技术都有一个共同点——只考虑汽车的纵向安全。
然而，在实际的行车过程中，仅仅依靠制动来实现主动避撞是远远不够的。纯制动模式下的避撞，基本原则就是增大车距与降低车速，然而降低车速和提高车距都会导致道路容量降低，降低了道路交通效率，不符合目前所提倡的智能交通的要求；另一方面，当制动减速度过大时，会引起乘客的不舒适感。可见，这种单一模式下的避撞，虽然可以减少事故或者降低事故的伤害程度，但也是存在弊端的。
此外，汽车采用不同模式实现避撞，一切都要建立在保证汽车的行车安全以及操纵稳定的基础之上。因此，为防止各种危险情况的发生，一个稳定可靠地控制器也是必不可少的。
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，提供一种具有多种避撞模式的汽车差速转向系统及其控制方法。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种具有多种避撞模式的汽车差速转向系统，包括雷达、车速传感器、横摆角速度传感器、侧向加速度传感器、前轮转角传感器、信号集成模块、判断模块、转向模块、制动模块和ECU；
所述雷达设置在汽车前部，用于获得前方车辆和汽车之间的距离、前方车辆的车速，并将其传递给所述信号集成模块；
所述车速传感器、横摆角速度传感器、侧向加速度传感器、前轮转角传感器分别用于采集汽车的车速、汽车的横摆角速度、汽车的侧向加速度、汽车的前轮转角，并将其传递给所述信号集成模块；
所述信号集成模块分别和雷达、车速传感器、横摆角速度传感器、侧向加速度传感器、前轮转角传感器、判断模块、ECU相连，用于将接收到的数据整合成工况信号输入到ECU中，并根据接收到的前方车辆的车速、汽车的车速、汽车的横摆角速度、汽车的侧向加速度、汽车的前轮转角计算出汽车的转向安全距离以及制动安全距离，将前方车辆和汽车之间的距离、当前工况下的转向安全距离以及制动安全距离传递给判断模块；
所述判断模块用于将前方车辆和汽车之间的距离分别与制动安全距离、转向安全距离进行比较，并将比较得出的结果输入到ECU中；
所述转向模块包括轮毂电机，用于控制汽车进行转向；
所述制动模块包括ABS，用于控制汽车进行制动；
所述ECU还分别和所述转向模块、制动模块相连，用于根据判断模块输入的比较结果控制转向模块、制动模块工作。
本发明还公开了一种基于该具有多种避撞模式的汽车差速转向系统的控制方法，包括以下几个步骤：
步骤1)，通过雷达获得前方车辆的车速、前方车辆和汽车之间的距离；
步骤2)，通过车速传感器、横摆角速度传感器、侧向加速度传感器、前轮转角传感器分别获得汽车的车速、横摆角速度、侧向加速度、前轮转角；
步骤3)，根据自车的车速、前车的车速以及两车的相对距离，求解出汽车在此种工况下转向安全距离以及制动安全距离；
步骤4)，判断模块将转向安全距离以及制动安全距离与两车的相对距离进行比较，并将比较结果传递给ECU；
步骤5)，ECU根据判断模块的比较结果控制转向模块、制动模块工作以实现避障，同时基于滑膜控制对汽车进行行车稳定性控制。
作为本发明一种具有多种避撞模式的汽车差速转向系统的控制方法进一步的优化方案，所述步骤3)中根据以下公式计算转向安全距离Ds以及制动安全距离Db；
Figure BDA0001277174130000021
Figure BDA0001277174130000022
式中，t1为制动时间，
Figure BDA0001277174130000023
a为减速度，取μg，μ为预设的地面附着系数，g为重力加速度；t2是预设的变道时间阈值；v0是汽车的车速；v是前方车辆的车速；v1是汽车开始变道时的速度。
作为本发明一种具有多种避撞模式的汽车差速转向系统的控制方法进一步的优化方案，所述预设的变道时间阈值t2取4.2s。
作为本发明一种具有多种避撞模式的汽车差速转向系统的控制方法进一步的优化方案，所述步骤5)中ECU根据判断模块的比较结果控制转向模块、制动模块工作的详细步骤如下；
当前方车辆和汽车之间的距离S≥Ds时，ECU控制转向模块工作，以转向模式实现避障，制动模块不工作；
当Db＜S＜Ds时，ECU先控制转向模块、制动模块同时工作，以先制动后转向的模式实现避障；
当S≤Db时，ECU控制制动模块工作，以紧急制动模式实现实现避障，转向模块不工作。
作为本发明一种具有多种避撞模式的汽车差速转向系统的控制方法进一步的优化方案，步骤5)中ECU基于滑膜控制对汽车进行行车稳定性控制的具体步骤如下：
步骤5.1)，ECU采用横摆角速度和质心侧偏角联合控制的方法，根据信号集成模块输入的工况信号计算控制参量的期望值，其中，期望的质心侧偏角βq≤10deg，期望的横横摆角速度γq采用以下公式计算：
Figure BDA0001277174130000031
式中，θf是汽车前轮转角；L、K分别为预设的汽车前后轴的距离和预设的汽车稳定性参数；
步骤5.2)，建立差速助力转向系统模型，取控制系统状态变量
Figure BDA0001277174130000032
输入变量u＝[Th,Fδ,i]T、输出变量y＝[Ta Tsen]T，对应的状态方程为：
Figure BDA0001277174130000033
式中，
Figure BDA0001277174130000034
Figure BDA0001277174130000041
θh为汽车转向盘输入的角度；Th为作用在汽车方向盘上的转向转矩；Jh为转向柱输入轴的动惯量；Bh为汽车输入轴的粘性阻尼系数；Tsen为汽车扭杆上的反作用转矩；n1为汽车转向器到前轮的传动比；d为汽车左、右转向轮的主销横向偏移距；rw为汽车车轮滚动半径；xr为汽车齿条的位移；rp为汽车小齿轮半径；Mr是汽车齿轮齿条转向器的当量质量；i为汽车左右轮毂电机控制电流的差值；Kr是汽车齿轮齿条转向器的输出轴的当量弹簧刚度；Ksen为汽车中与输入轴相连的扭杆的刚性系数；Ka为轮毂电机的转矩系数；Br是汽车齿轮齿条转向器输出轴的当量阻尼系数；Fδ为路面的随机信号；Ta为差动转向力矩；
步骤5.3)，建立滑膜控制的状态空间模型为：
Figure BDA0001277174130000042
式中，f(x(t))＝Ax(t)；g(x(t))u(t)＝Bu(t)；h(x(t))＝Cx(t)；t为时间；
步骤5.4)，定义横摆角速度和质心侧偏角的切换面
Figure BDA0001277174130000047
Figure BDA0001277174130000043
式中，E＝X-Xq，为汽车横摆角速度以及质心侧偏角的实时误差；λ为预先设定的正常数；
步骤5.5)，定义中间控制量的输入
Figure BDA0001277174130000044
令
Figure BDA0001277174130000049
K1、K2为符号函数和切换面
Figure BDA0001277174130000048
之间的两个线性组合系数；sgn为符号函数；
步骤5.5)，确定满足滑模面的控制律为
Figure BDA0001277174130000046
并据此对汽车进行行车稳定性控制。
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.建立新型的安全距离模型，将汽车主动避撞模式划分为三种，分别是转向模式、先制动后转向模式以及紧急制动模式。
2.本发明所提供的多种避撞模式，适应汽车行驶的多种工况，能够更加有效地降低事故发生率，以及能够最大限度的减轻事故的伤害。
3.本发明所公开的避撞系统，从横纵向保证汽车安全，一方面提高了汽车的行车安全性；另一方面也保证了交通效率，满足智能交通的要求。
4.本发明所设计的滑膜变结构控制器，能够为汽车的操纵稳定性提供一定的保障。
附图说明
图1为本发明中汽车主动避撞系统的多种模式的选择结构示意图；
图2为本发明中滑模变结构控制方法的流程示意图。
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，本发明公开了一种具有多种避撞模式的汽车差速转向系统，包括雷达、车速传感器、横摆角速度传感器、侧向加速度传感器、前轮转角传感器、信号集成模块、判断模块、转向模块、制动模块和ECU；
所述雷达设置在汽车前部，用于获得前方车辆和汽车之间的距离、前方车辆的车速，并将其传递给所述信号集成模块；
所述车速传感器、横摆角速度传感器、侧向加速度传感器、前轮转角传感器分别用于采集汽车的车速、汽车的横摆角速度、汽车的侧向加速度、汽车的前轮转角，并将其传递给所述信号集成模块；
所述信号集成模块分别和雷达、车速传感器、横摆角速度传感器、侧向加速度传感器、前轮转角传感器、判断模块、ECU相连，用于将接收到的数据整合成工况信号输入到ECU中，并根据接收到的前方车辆的车速、汽车的车速、汽车的横摆角速度、汽车的侧向加速度、汽车的前轮转角计算出汽车的转向安全距离以及制动安全距离，将前方车辆和汽车之间的距离、当前工况下的转向安全距离以及制动安全距离传递给判断模块；
所述判断模块用于将前方车辆和汽车之间的距离分别与制动安全距离、转向安全距离进行比较，并将比较得出的结果输入到ECU中；
所述转向模块包括轮毂电机，用于控制汽车进行转向；
所述制动模块包括ABS，用于控制汽车进行制动；
所述ECU还分别和所述转向模块、制动模块相连，用于根据判断模块输入的比较结果控制转向模块、制动模块工作。
如图2所示，本发明还公开了一种基于该具有多种避撞模式的汽车差速转向系统的控制方法，包括以下几个步骤：
步骤1)，通过雷达获得前方车辆的车速、前方车辆和汽车之间的距离；
步骤2)，通过车速传感器、横摆角速度传感器、侧向加速度传感器、前轮转角传感器分别获得汽车的车速、横摆角速度、侧向加速度、前轮转角；
步骤3)，根据自车的车速、前车的车速以及两车的相对距离，求解出汽车在此种工况下转向安全距离以及制动安全距离；
步骤4)，判断模块将转向安全距离以及制动安全距离与两车的相对距离进行比较，并将比较结果传递给ECU；
步骤5)，ECU根据判断模块的比较结果控制转向模块、制动模块工作以实现避障，同时基于滑膜控制对汽车进行行车稳定性控制。
所述步骤3)中根据以下公式计算转向安全距离Ds以及制动安全距离Db；
Figure BDA0001277174130000061
Figure BDA0001277174130000062
得：
Figure BDA0001277174130000063
其中：a为减速度，取μg，μ为预设的地面附着系数，g为重力加速度；t1为制动时间，
Figure BDA0001277174130000064
t2是预设的变道时间阈值；v0是汽车的车速；v是前方车辆的车速；v1是汽车开始变道时的速度；s1是制动距离；s2为转向过程中所经过的距离。
所述预设的变道时间阈值t2优先取4.2s。
所述步骤5)中ECU根据判断模块的比较结果控制转向模块、制动模块工作的详细步骤如下；
当前方车辆和汽车之间的距离S≥Ds时，ECU控制转向模块工作，以转向模式实现避障，制动模块不工作；
当Db＜S＜Ds时，ECU先控制转向模块、制动模块同时工作，以先制动后转向的模式实现避障；
当S≤Db时，ECU控制制动模块工作，以紧急制动模式实现实现避障，转向模块不工作。
所述步骤5)中ECU基于滑膜控制对汽车进行行车稳定性控制的具体步骤如下：
步骤5.1)，ECU采用横摆角速度和质心侧偏角联合控制的方法，根据信号集成模块输入的工况信号计算控制参量的期望值，其中，期望的横横摆角速度γq采用以下公式计算：
Figure BDA0001277174130000071
式中，θf是汽车前轮转角；L、K分别为预设的汽车前后轴的距离和预设的汽车稳定性参数；
期望的质心侧偏角：为了尽量限制车辆发生侧滑，通常取期望侧偏角βq为0。但实际情况下，质心侧偏角β不可能保持在0值，当侧偏角β大于10度后，一般的驾驶员将无法继续控制车辆的运动。所以：βq≤10deg。
步骤5.2)，建立差速助力转向系统模型，取控制系统状态变量
Figure BDA0001277174130000072
输入变量u＝[Th,Fδ,i]T、输出变量y＝[Ta Tsen]T，对应的状态方程为：
Figure BDA0001277174130000073
式中，
Figure BDA0001277174130000074
Figure BDA0001277174130000075
θh为汽车转向盘输入的角度；Th为作用在汽车方向盘上的转向转矩；Jh为转向柱输入轴的动惯量；Bh为汽车输入轴的粘性阻尼系数；Tsen为汽车扭杆上的反作用转矩；n1为汽车转向器到前轮的传动比；d为汽车左、右转向轮的主销横向偏移距；rw为汽车车轮滚动半径；xr为汽车齿条的位移；rp为汽车小齿轮半径；Mr是汽车齿轮齿条转向器的当量质量；i为汽车左右轮毂电机控制电流的差值；Kr是汽车齿轮齿条转向器的输出轴的当量弹簧刚度；Ksen为汽车中与输入轴相连的扭杆的刚性系数；Ka为轮毂电机的转矩系数；Br是汽车齿轮齿条转向器输出轴的当量阻尼系数；Fδ为路面的随机信号；Ta为差动转向力矩。
步骤5.3)，建立滑膜控制的状态空间模型为：
Figure BDA0001277174130000081
式中，f(x(t))＝Ax(t)；g(x(t))u(t)＝Bu(t)；h(x(t))＝Cx(t)；t为时间。
步骤5.4)，定义横摆角速度和质心侧偏角的切换面
Figure BDA0001277174130000082
Figure BDA0001277174130000083
式中，E为误差，E＝X-Xq，这里表示汽车横摆角速度以及质心侧偏角的实时误差；λ为预先设定的正常数。
步骤5.5)，定义中间控制量的输入
Figure BDA0001277174130000084
确保切换面的可到达性；
令
Figure BDA0001277174130000085
K1、K2为符号函数和切换面
Figure BDA0001277174130000086
之间的两个线性组合系数；sgn为符号函数；
另外，为了消除控制过程中控制输出量出现的抖振现象，可以用饱和函数来代替sgn(S)，即是：
Figure BDA0001277174130000087
式中，δ＞0，它是为了引进边界层而给出的边界，可取任意小；
Figure BDA0001277174130000088
步骤5.5)，确定满足滑模面的控制律为
Figure BDA0001277174130000089
并据此对汽车进行行车稳定性控制。
滑膜控制是以期望的横横摆角速度和期望的质心侧偏角为控制目标，借助轮毂电机调控汽车左右轮的差动转向力矩以及汽车扭杆上的反作用转矩使得汽车实时的横摆角速度以及质心侧偏角趋近于期望值，从而得到稳定的汽车转向。
在汽车的行驶过程中，ECU实时采集方向盘转角、横摆角速度、质心侧偏角和车速信号，计算期望横摆角速度与实际横摆角速度、期望质心侧偏角和质心侧偏角的差值，通过滑模控制修正实时的汽车横摆角速度和质心侧偏角，从而完成汽车横纵向避撞时的稳定性控制。
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 (2)

1.一种具有多种避撞模式的汽车差速转向系统的控制方法，所述具有多种避撞模式的汽车差速转向系统包括雷达、车速传感器、横摆角速度传感器、侧向加速度传感器、前轮转角传感器、信号集成模块、判断模块、转向模块、制动模块和ECU；
所述雷达设置在汽车前部，用于获得前方车辆和汽车之间的距离、前方车辆的车速，并将其传递给所述信号集成模块；
所述车速传感器、横摆角速度传感器、侧向加速度传感器、前轮转角传感器分别用于采集汽车的车速、汽车的横摆角速度、汽车的侧向加速度、汽车的前轮转角，并将其传递给所述信号集成模块；
所述信号集成模块分别和雷达、车速传感器、横摆角速度传感器、侧向加速度传感器、前轮转角传感器、判断模块、ECU相连，用于将接收到的数据整合成工况信号输入到ECU中，并根据接收到的前方车辆的车速、汽车的车速、前方车辆和汽车之间的距离计算出汽车的转向安全距离以及制动安全距离，将前方车辆和汽车之间的距离、当前工况下的转向安全距离以及制动安全距离传递给判断模块；
所述判断模块用于将前方车辆和汽车之间的距离分别与制动安全距离、转向安全距离进行比较，并将比较得出的结果输入到ECU中；
所述转向模块包括轮毂电机，用于控制汽车进行转向；
所述制动模块包括ABS，用于控制汽车进行制动；
所述ECU还分别和所述转向模块、制动模块相连，用于根据判断模块输入的比较结果控制转向模块、制动模块工作；
其特征在于，所述具有多种避撞模式的汽车差速转向系统的控制方法包括以下步骤：
步骤1)，通过雷达获得前方车辆的车速、前方车辆和汽车之间的距离；
步骤2)，通过车速传感器、横摆角速度传感器、侧向加速度传感器、前轮转角传感器分别获得汽车的车速、横摆角速度、侧向加速度、前轮转角；
步骤3)，根据自车的车速、前车的车速以及两车的相对距离，求解出汽车在此种工况下转向安全距离Ds以及制动安全距离Db：
Figure FDA0004106922560000011
Figure FDA0004106922560000012
式中，t1为制动时间，
Figure FDA0004106922560000013
a为减速度，取μg，μ为预设的地面附着系数，g为重力加速度；t2是预设的变道时间阈值；v0是汽车的车速；v是前方车辆的车速；v1是汽车开始变道时的速度；
步骤4)，判断模块将转向安全距离以及制动安全距离与两车的相对距离进行比较，并将比较结果传递给ECU；
步骤5)，ECU根据判断模块的比较结果控制转向模块、制动模块工作以实现避障，同时基于滑模控制对汽车进行行车稳定性控制；
其中，ECU根据判断模块的比较结果控制转向模块、制动模块工作的详细步骤如下：
当前方车辆和汽车之间的距离S≥Ds时，ECU控制转向模块工作，以转向模式实现避障，制动模块不工作；
当Db＜S＜Ds时，ECU控制转向模块、制动模块同时工作，以先制动后转向的模式实现避障；
当S≤Db时，ECU控制制动模块工作，以紧急制动模式实现实现避障，转向模块不工作；
ECU基于滑模控制对汽车进行行车稳定性控制的具体步骤如下：
步骤5.1)，ECU采用横摆角速度和质心侧偏角联合控制的方法，根据信号集成模块输入的工况信号计算控制参量的期望值，其中，期望的质心侧偏角βq≤10deg，期望的横横摆角速度γq采用以下公式计算：
Figure FDA0004106922560000021
式中，θf是汽车前轮转角；L、K分别为预设的汽车前后轴的距离和预设的汽车稳定性参数；
步骤5.2)，建立差速助力转向系统模型，取控制系统状态变量
Figure FDA0004106922560000022
输入变量u＝[Th,Fδ,i]T、输出变量y＝[Ta Tsen]T，对应的状态方程为：
Figure FDA0004106922560000023
式中，
Figure FDA0004106922560000031
Figure FDA0004106922560000032
θh为汽车转向盘输入的角度；Th为作用在汽车方向盘上的转向转矩；Jh为转向柱输入轴的动惯量；Bh为汽车输入轴的粘性阻尼系数；Tsen为汽车扭杆上的反作用转矩；n1为汽车转向器到前轮的传动比；d为汽车左、右转向轮的主销横向偏移距；rw为汽车车轮滚动半径；xr为汽车齿条的位移；rp为汽车小齿轮半径；Mr是汽车齿轮齿条转向器的当量质量；i为汽车左右轮毂电机控制电流的差值；Kr是汽车齿轮齿条转向器的输出轴的当量弹簧刚度；Ksen为汽车中与输入轴相连的扭杆的刚性系数；Ka为轮毂电机的转矩系数；Br是汽车齿轮齿条转向器输出轴的当量阻尼系数；Fδ为路面的随机信号；Ta为差动转向力矩；
步骤5.3)，建立滑模控制的状态空间模型为：
Figure FDA0004106922560000033
式中，f(x(t))＝Ax(t)；g(x(t))u(t)＝Bu(t)；h(x(t))＝Cx(t)；t为时间；
步骤5.4)，定义横摆角速度和质心侧偏角的切换面
Figure FDA0004106922560000038
Figure FDA0004106922560000034
式中，E＝X-Xq，为汽车横摆角速度以及质心侧偏角的实时误差；λ为预先设定的正常数；
步骤5.5)，定义中间控制量的输入
Figure FDA0004106922560000035
令
Figure FDA0004106922560000036
K1、K2为符号函数和切换面
Figure FDA0004106922560000037
之间的两个线性组合系数；sgn为符号函数；
步骤5.6)，确定满足滑模面的控制律为
Figure FDA0004106922560000041
并据此对汽车进行行车稳定性控制，δ为滑模边界层厚度。
2.根据权利要求1所述的具有多种避撞模式的汽车差速转向系统的控制方法，其特征在于，所述预设的变道时间阈值t2取4.2s。
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