CN108839652B - 一种车辆失稳可控域的自动驾驶紧急避让系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车辆失稳可控区域的自动驾驶紧急避让系统，包括汽车前轮控制系统、汽车后轮控制系统、车辆失稳可控域计算系统及汽车状态参数测量系统等；汽车状态参数测量系统主要是通过车辆的传感器测量得到车辆的横摆角速度、滑移率、车速等，并将实时测量结果输入到车辆失稳可控域计算系统；车辆失稳可控域计算系统分析计算出车辆失稳可控域的联动控制区域，汽车前轮控制系统、汽车后轮控制系统根据当前车辆状态以及失稳可控域计算紧急避让进行制动。本发明主动使车辆后轮失稳使横摆角速度激增而车身仍处于可控区域，极大地提高了汽车的避让和转向能力，运用转向制动集成对车辆紧急避让进行控制，从而有效保证驾驶员危险情况下的行车安全。

Description

一种车辆失稳可控域的自动驾驶紧急避让系统

技术领域

本发明涉及一种车辆极限控制技术领域，一种车辆失稳可控域的自动驾驶紧急避让系统。

背景技术

紧急避让一般需要在顺利避让障碍物的同时防止汽车失稳。但前方突然掉落的物体、道路中突然出现的车辆等突发工况，因避让距离过短使空间安全约束和动力学安全约束发生冲突。满足动力学安全约束的避让操纵无法完成避开障碍物而发生碰撞；由于普通驾驶员对物理极限操纵的不熟悉，如果避让时一旦突破动力学约束，容易使车辆失稳而车身激转。面对这些极限场景，赛车手可以充分利用后轮附着极限，通过操纵使后轮侧滑失稳产生横摆角速度激增，突破动力学约束同时保持车身可控，实现车辆的快速横摆转动，在避障前达到空间约束要求的最小车身横摆角。但是一般驾驶员很难把握紧急避让的方向盘转向转角以及制动的尺度，尤其是紧急避让控制过程的失稳可控域更难把握，稍有偏差就会使车辆无法避让障碍物或者使车辆失稳激转。现有的技术没有对失稳可控域进行定义和解析，致使车辆的极限控制无法保证在失稳可控的区域界限范围内，使车辆的紧急避让始终无法达到精确可行可控。

申请号为201710146567.3的中国专利，公开了“一种无人车辆极限动力学轨迹跟踪制动系统”，仅考虑让车辆工作在稳定区域来跟踪路径，没有提出可以利用车辆的后轮暂时失稳同时车辆可控来提高紧急避让能力，一旦遇到紧急避让的情况这种方法车辆容易彻底失稳或者无法避开障碍物。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供了一种车辆失稳可控域的自动驾驶紧急避让系统，该系统考虑了车辆在紧急避让时的漂移甩尾可控，主动使车辆后轮失稳，进行了车辆紧急避让过程中的失稳可控域解析，并同时利用车辆的转向、制动辅助系统同时作用，来完成车辆紧急避让。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术手段：

一种车辆失稳可控域的自动驾驶紧急避让系统，包括汽车前轮控制系统、汽车后轮控制系统、汽车状态参数测量系统，车前轮控制系统设有主动转向系统AFS、转向助力系统EPS，汽车后轮控制系统设有车身电子稳定系统ESP、防抱死系统ABS，汽车状态参数测量系统，所述的自动驾驶紧急避让系统还包括车辆失稳可控域计算系统；

所述失稳可控域为能够实现汽车失稳可控状态的集合，失稳可控状态是指车辆在行驶过程中，突遇障碍物，通过操纵使后轮侧滑失稳产生横摆角速度激增，突破动力学约束同时保持车身可控，实现车辆的快速横摆转动，在避障前达到空间约束要求的最小车身横摆角，完成失稳避让，将汽车的后轴侧滑失稳、车身可控的动力学状态定义为失稳可控状态；

汽车状态参数测量系统通过车辆的传感器实时测量得到车辆的行驶参数，包括横摆角速度、滑移率、车速，并将实时测量结果输入到车辆失稳可控域计算系统；

车辆失稳可控域计算系统主要是在建立纵向、侧向、横摆、侧倾以及轮胎非线性动力学模型基础上，得到失稳可控域的联动计算模型，通过分岔理论分析最终计算出车辆失稳可控域的联动控制区域；

汽车前轮控制系统计算避让所需的前轮转向以及转角，通过转向助力系统EPS的执行电机来执行，主动转向系统AFS进行转角的辅助纠正；汽车后轮控制系统计算避让所需的汽车左右后轮制动力，通过车身电子稳定系统ESP执行，防抱死系统ABS对制动力进行辅助纠正，集成前轮转向以及后轮制动的综合控制，从而实现车辆失稳可控域的联动控制区域的紧急避让控制。

与现有技术相比，本发明所设计的紧急避让控制系统联想了实际赛车手在完成迅速转弯过程进行的“漂移”操作，进行了失稳可控域的定义以及解析，对“漂移”进行了理论研究。通过主动使车辆后轮失稳使横摆角速度激增而车身仍处于可控区域，极大地提高汽车的避让和转向能力，并同时考虑转向制动的集成控制来进行紧急避让，使车辆在极限状况下也能处于可控的范围内，能够有效保证在紧急情况下的驾驶员行车安全。

进一步优选的方案如下：

所述的汽车状态参数测量系统实时测量车辆的相关状态参数，通过车辆的速度传感器测得速度信号，横摆角速度传感器获得横摆角速度信号，轮速传感器获得车轮的转速信号，车辆的转角传感器获得车辆的转角信号；通过所获得的上述信号，分别计算获得车辆的滑移率信号以及质心侧偏角信号。

所述车辆失稳可控域计算系统模型建立，建立车辆的三自由度模型，同时涵盖纵向、侧向、横摆、侧倾以及轮胎多个自由度，模型微分方程为：

其中，β为质心侧偏角，γ为横摆角速度，φ为质心侧倾角，u为纵向车速，m、m_s为汽车的总质量和悬挂质量，l_f、l_r为质心到前后轴的距离，为侧倾刚度和侧倾阻尼，I_zz为汽车关于横摆轴的转动惯量，I_xx为汽车关于侧倾轴的转动惯量，h为悬挂质量质心到侧倾轴的距离，F_fl、F_fr为汽车前左轮和前右轮转向力，F_rl、F_rr为汽车后左轮和后右轮转向力；

轮胎的滑移率方程为：

其中，u_sx为轮速，λ₀表示轮胎的滑移率，ω为车轮滚动角速度，R为轮胎半径；

轮胎模型选取考虑非线性的Pacejka魔术轮胎公式：

Y(x)＝Dsin[Carctan{Bx-E(Bx-arctan(Bx))}] (3)

其中，x表示侧偏角或滑移率，y为侧向力，B为刚度控制系数，C为曲线形态控制系数，D分别为曲线最大值，E为对D的变化情况控制系数；

前后轮侧偏角为：

其中，α_f、α_r分别为前后轮侧偏角，δ_f为前轮转角；

所述车辆失稳可控域计算系统基于分岔理论计算失稳可控的联动控制区域，其包括以下几个步骤：

第一步 利用分岔理论计算车辆失稳可控的联动控制区域，首先选取失稳可控区域计算所需的状态变量分别为横摆角速度γ、质心侧偏角β、质心侧倾角及角加速度滑移率λ₀，分岔参数τ的选取分别为车速u、前轮转角δ、四轮转向力F_fl、F_fr、F_rl、F_rr；

利用步骤一所建立系统模型书写系统的状态方程，即：

其中，A、B分别为系统微分方程系数，

可以简写为其中，x为状态变量，τ为分岔参数；

第二步 前轮转向以及后轮制动力鞍结分岔失稳演化规律获得，包括以下步骤：

(1)针对高维非线性动力学系统解析方法不能求解平衡点问题，需采用中心流形法将高维系统进行降维；

动力学n维非线性系统可表示为设矩阵A的特征值的重数与特征向量所张成的子空间维数相同，其中n₁个特征值有负实部，n₂个特征值有零实部，n₃个特征值有正实部，则n₁+n₂+n₃＝n；记矩阵的特征值η_i(i＝1，2……n)对应的特征向量ρ_i，则由实部为负、实部为零和实部为正的特征根对应的特征向量组成的子空间分别称为稳定子空间、中心子空间和不稳定子空间，分别用E₁、E₂和E₃表示；

对非线性系统f是对应向量场，设原点是平衡点，则可在原点处对系统线性化，并定义为非线性系统在原点处的线性化系统，其中A为原点处的雅可比矩阵A＝D_xf(0)，D_x为系数矩阵；则由矩阵A的负实部、零实部和正实部特征根对应的特征向量张成的子空间E₁、E₂和E₃分别称为局部稳定子空间、局部中心子空间和局部不稳定子空间，在非线性系统中一般仅关心平衡点邻域的动力学特性，与其相切的流形分别称为局部稳定流形、局部中心流形和局部不稳定流形分别用W₁、W₂、W₃表示，都属于局部不变流形；

给定非奇异变换矩阵T将系统的雅可比矩阵A＝D_xf(0)化为对角块的形式，即

其中B和C分别为n₂×n₂和n₁×n₁矩阵，他们特征值分别具有零实部和负实部，n₁＝dimE₁，n₂＝dimE₂，n₁+n₂＝n，令x＝Ty，其中u∈E₂,v∈E₁，则有：

在原点领域内把W₂表示为v＝h(u)带入上式并运用链式求导法则得：

其中g₂(.)为关于u，h(u)的复合函数；H(u)的微分方程为：

Dh(u)[Au+g₁(u,h(u))]-Bh(u)-g₂(u,h(u))＝0 (9)

由于W₂经过原点并与E₂相切，因此，h(u)满足h(0)＝0,Dh(0)＝0，带入方程(9)并结合方程(7)即可求得中心流降维方程；

(2)求解汽车极限系统平衡点，并分析在前轮转向和后轮制动力输入下，系统平衡点的变化规律；

对非线性动力系统求雅可比矩阵，可分别得出不同分岔参数车速u、前轮转角δ、四轮转向力F_fl、F_fr、F_rl、F_rr，路面附着系数μ的平衡点；综合考虑各参数之间的耦合影响程度，可得出平衡点的变化规律；

(3)在不同附着路面，利用非线性稳定性分析方法得出前轮转角和后轮制动力鞍结分岔失稳演化规律；

使系统微分方程等式左端等于零，求解非线性代数方程组可得到系统的平衡点，设x_e1、x_e2、x_e3、x_e4是一组平衡点，则由系统微分方程可以得到系统在该平衡点处的雅可比矩阵：

雅可比矩阵的特征方程为：

c₀λ⁴+c₁λ³+c₂λ²+c₃λ+c₄＝0 (11)

系数项c_i都是u、μ、δ_f工况参数以及汽车结构参数的多项式，λ为特征值向量，平衡点的稳定性取决于这些参数的取值情况，根据Hurwitz判据，若：

Δ₁＞0,Δ₂＞0,Δ₃＞0,Δ₄＞0

其中，

则特征方程特征根有实部，非线性动力系统在平衡点处渐进稳定；

汽车前轮的转向角和车速是影响汽车转向稳定性的主要工况参数；考虑到矩阵的零特征根对应汽车转向的临界状态，根据公式(12)利用一定的步长列举车速的值并求解可得临界参数平面；

第三步 利用搜索法确定越过鞍结分岔点的失稳可控域边界，实现车辆非线性动力学模型不同运动形态区域的划分；

利用后轴侧滑后前轮侧向力变化特性、以及轮胎附着椭圆，分析前轮转向、后轮制动力的镇定能力，分析得到横摆角速度、质心侧偏角随转角变化的分岔特性，围绕鞍结分岔点利用搜索法确定越过鞍结分岔点的失稳可控域边界，实现车辆非线性动力学模型不同运动形态区域的划分；

在车辆模型建立过程中引入魔术轮胎非线性模型，为便于分岔理论分析，采用局部线性化的方法，将非线性模型转化成了线性时变参数模型，假设：车辆的实时状态为ε₀，车辆的轮胎侧偏角为α_i，α_i指前轮侧偏角α_f、后轮侧偏角α_r，车辆的侧向力F_i指左前轮侧向力F_fl、右前轮侧向力F_ff、左后轮侧向力F_rl、右后轮侧向力F_rr；因此可以将车辆轮胎的侧向力或转向力表示为：

制动时若后轴比前轴先抱死拖滑，就可能发生后轴侧滑；若前、后轴同时抱死，或者前轴先抱死而后轴抱死或不抱死，则能防止汽车后轴侧滑，但是汽车丧失转向能力；

当后轮抱死，在干扰作用下，发生后轴偏离角α，因产生的离心惯性力F_c与偏离角α的方向相同，F_c起到加剧后轴侧滑的作用，即汽车处于不稳定状态；此时进行后轮侧滑分岔捕捉；

在前轮侧向力以及轮胎附着椭圆的约束下，制定启发规则，由此来改变鞍结分岔点的扩展顺序，将趋于平衡稳定的点优先扩展，使得快速找到最优解；

对每一个鞍结分岔点，有一个估价函数F来估算起始鞍结分岔点经过的最佳路径的代价；每个鞍结分岔点扩展的时候，总是选择具有最小的F的节点；

F＝G+B×H：G为从起始点到当前点的实际代价，已经算出，H为从该点到目标点的最优路径的估计代价，F要单调递增，B随着搜索深度成反比变化，在搜索深度浅的地方，让搜索依靠启发信息，尽快的逼近目标完成失稳可控域的划分，可初步得到失稳可控域判据：

式中，K表示失稳可控域判据，m表示汽车的质量，k₁和k₂表示前后轮的轮胎侧偏刚度；

在均匀路面工况下，系统的平衡态关于前轮转向角的分布及分岔特性，包括横摆角速度、质心侧偏角的平衡状态及其稳定性随前轮转向角的变化，根据车速、路面附着系数可以得出，对每一个前轮转向角值系统存在多个平衡状态，系统状态才能最终被吸引到平衡点上，汽车才可能保证稳定的稳态转向，否则汽车的稳态转向将最终失稳；

第四步 数据修正，得到可控域判据；围绕实车捕捉汽车后轴侧滑鞍结分岔现象，进行驾驶员操纵的汽车失稳可控操纵试验，在此基础上，进行实车瞬态动力学行为测量，分析轮胎侧滑与轮胎失稳参量，轮胎滑移率、侧偏角的关系，分别将传感器测量得到的车速、横摆角速度、轮速、前轮转角信号来修正步骤四中利用搜索法确定的围绕鞍结分岔点的失稳可控域边界及运动形态；

引入修正参数η_γ、η_β将失稳可控域计算模型中的横摆角速度、质心侧偏角进行实时修正，与根据失稳可控状态时车身和轮胎动力学的变化特征，得到失稳可控域内轮胎状态关键参量、车身状态参量间的因素关联，即侧偏角、汽车横摆角速度、质心侧偏角的关联关系，建立汽车瞬态失稳可控域状态关联模型，构建汽车瞬态失稳可控域判据，综合考虑轮胎侧偏刚度k₁、k₂，路面附着系数μ，轮胎制动力，得到可控域判据：

从而实现失稳可控域解析。

所述的车辆失稳可控域计算系统基于分岔理论计算失稳可控的联动控制区域，并将数据传送给汽车前轮控制系统，汽车前轮控制系统根据接收到的数据及当前车辆状态参数，包括横摆角速度、质心侧偏角计算避让所需的前轮转向以及转角，通过转向助力系统EPS的执行电机来执行，主动转向系统AFS进行转角的辅助纠正。

所述的车辆失稳可控域计算系统基于分岔理论计算失稳可控的联动控制区域，并将数据传送给汽车后轮控制系统，汽车后轮控制系统根据接收到的数据及当前车辆状态参数，包括横摆角速度、质心侧偏角计算避让所需的汽车左右后轮制动力，通过车身电子稳定系统ESP执行，防抱死系统ABS进行辅助纠正。

附图说明

图1是本发明的框架结构示意图。

图2是普通驾驶员避让操纵示意图。

图3是赛车手失稳避让操纵示意图。

图4是转向系统的框架结构图。

图5是本发明的平衡点的变化规律图像。

图6是不同附着系数下的δf—u参数平面。

图7是不同附着系数下的Frr(Frl)—λ0参数平面。

图8是本发明质心侧偏角在前轮转角下的分岔特性。

图9是本发明横摆角速度在前轮转角下的分岔特性。

图10是前后轮侧偏角随车速的变化特性。

图11是失稳可控域关联解析图。

具体实施方式

下面结合实施例，进一步说明本发明。

参见图1可知，本发明的一种车辆失稳可控域的自动驾驶紧急避让系统，由汽车前轮控制系统、汽车后轮控制系统、汽车状态参数测量系统，车辆失稳可控域计算系统组成；车前轮控制系统设有主动转向系统AFS、转向助力系统EPS，汽车后轮控制系统设有车身电子稳定系统ESP、防抱死系统ABS，汽车状态参数测量系统；

所述失稳可控域为能够实现汽车失稳可控状态的集合，失稳可控状态是指车辆在行驶过程中，突遇障碍物，通过操纵使后轮侧滑失稳产生横摆角速度激增，突破动力学约束同时保持车身可控，实现车辆的快速横摆转动，在避障前达到空间约束要求的最小车身横摆角，完成失稳避让，将汽车的后轴侧滑失稳、车身可控的动力学状态定义为失稳可控状态；

汽车状态参数测量系统通过车辆的传感器实时测量得到车辆的行驶参数，包括横摆角速度、滑移率、车速，并将实时测量结果输入到车辆失稳可控域计算系统；

车辆失稳可控域计算系统主要是在建立纵向、侧向、横摆、侧倾以及轮胎非线性动力学模型基础上，得到失稳可控域的联动计算模型，通过分岔理论分析最终计算出车辆失稳可控域的联动控制区域；

汽车前轮控制系统计算避让所需的前轮转向以及转角，通过转向助力系统EPS的执行电机来执行，主动转向系统AFS进行转角的辅助纠正；汽车后轮控制系统计算避让所需的汽车左右后轮制动力，通过车身电子稳定系统ESP执行，防抱死系统ABS对制动力进行辅助纠正，集成前轮转向以及后轮制动的综合控制，从而实现车辆失稳可控域的联动控制区域的紧急避让控制。

所述的汽车状态参数测量系统实时测量车辆的相关状态参数，通过车辆的速度传感器测得速度信号，横摆角速度传感器获得横摆角速度信号，轮速传感器获得车轮的转速信号，车辆的转角传感器获得车辆的转角信号；通过所获得的上述信号，分别计算获得车辆的滑移率信号以及质心侧偏角信号。

所述车辆失稳可控域计算系统模型建立，建立车辆的三自由度模型，同时涵盖纵向、侧向、横摆、侧倾以及轮胎多个自由度，模型微分方程为：

其中，β为质心侧偏角，γ为横摆角速度，φ为质心侧倾角，u为纵向车速，m、m_s为汽车的总质量和悬挂质量，l_f、l_r为质心到前后轴的距离，为侧倾刚度和侧倾阻尼，I_zz为汽车关于横摆轴的转动惯量，I_xx为汽车关于侧倾轴的转动惯量，h为悬挂质量质心到侧倾轴的距离，F_fl、F_fr为汽车前左轮和前右轮转向力，F_rl、F_rr为汽车后左轮和后右轮转向力；

轮胎的滑移率方程为：

其中，u_sx为轮速，λ₀表示轮胎的滑移率，ω为车轮滚动角速度，R为轮胎半径；

轮胎模型选取考虑非线性的Pacejka魔术轮胎公式：

Y(x)＝Dsin[Carctan{Bx-E(Bx-arctan(Bx))}] (3)

其中，x表示侧偏角或滑移率，y为侧向力，B为刚度控制系数，C为曲线形态控制系数，D分别为曲线最大值，E为对D的变化情况控制系数；

前后轮侧偏角为：

其中，α_f、α_r分别为前后轮侧偏角，δ_f为前轮转角；

所述车辆失稳可控域计算系统基于分岔理论计算失稳可控的联动控制区域，其包括以下几个步骤：

第一步 利用分岔理论计算车辆失稳可控的联动控制区域，首先选取失稳可控区域计算所需的状态变量分别为横摆角速度γ、质心侧偏角β、质心侧倾角及角加速度滑移率λ₀，分岔参数τ的选取分别为车速u、前轮转角δ、四轮转向力F_fl、F_fr、F_rl、F_rr；

利用步骤一所建立系统模型书写系统的状态方程，即：

其中，A、B分别为系统微分方程系数，

可以简写为其中，x为状态变量，τ为分岔参数，X为状态变量，可表示为：U为控制输入可表示为：U＝(u,δ,F_fl,F_fr,F_rl,F_rr)^T；

第二步前轮转向以及后轮制动力鞍结分岔失稳演化规律获得，包括以下步骤：

(1)针对高维非线性动力学系统解析方法不能求解平衡点问题，需采用中心流形法将高维系统进行降维；

动力学n维非线性系统可表示为设矩阵A的特征值的重数与特征向量所张成的子空间维数相同，其中n₁个特征值有负实部，n₂个特征值有零实部，n₃个特征值有正实部，则n₁+n₂+n₃＝n；记矩阵的特征值η_i(i＝1，2……n)对应的特征向量ρ_i，则由实部为负、实部为零和实部为正的特征根对应的特征向量组成的子空间分别称为稳定子空间、中心子空间和不稳定子空间，分别用E₁、E₂和E₃表示；

对非线性系统f是对应向量场，设原点是平衡点，则可在原点处对系统线性化，并定义为非线性系统在原点处的线性化系统，其中A为原点处的雅可比矩阵A＝D_xf(0)，D_x为系数矩阵；则由矩阵A的负实部、零实部和正实部特征根对应的特征向量张成的子空间E₁、E₂和E₃分别称为局部稳定子空间、局部中心子空间和局部不稳定子空间，在非线性系统中一般仅关心平衡点邻域的动力学特性，与其相切的流形分别称为局部稳定流形、局部中心流形和局部不稳定流形分别用W₁、W₂、W₃表示，都属于局部不变流形；

给定非奇异变换矩阵T将系统的雅可比矩阵A＝D_xf(0)化为对角块的形式，即

其中B和C分别为n₂×n₂和n₁×n₁矩阵，他们特征值分别具有零实部和负实部，n₁＝dimE₁，n₂＝dimE₂，n₁+n₂＝n，令x＝Ty，其中u∈E₂,v∈E₁，则有：

在原点领域内把W₂表示为v＝h(u)带入上式并运用链式求导法则得：

其中g₂(.)为关于u，h(u)的复合函数；

H(u)的微分方程为：

Dh(u)[Au+g₁(u,h(u))]-Bh(u)-g₂(u,h(u))＝0 (9)

由于W₂经过原点并与E₂相切，因此，h(u)满足h(0)＝0,Dh(0)＝0，带入方程(9)并结合方程(7)即可求得中心流降维方程；

(2)求解汽车极限系统平衡点，并分析在前轮转向和后轮制动力输入下，系统平衡点的变化规律；

对非线性动力系统求雅可比矩阵，可分别得出不同分岔参数车速u、前轮转角δ、四轮转向力F_fl、F_fr、F_rl、F_rr，路面附着系数μ的平衡点；综合考虑各参数之间的耦合影响程度，可得出平衡点的变化规律；

(3)在不同附着路面，利用非线性稳定性分析方法得出前轮转角和后轮制动力鞍结分岔失稳演化规律；

使系统微分方程等式左端等于零，求解非线性代数方程组可得到系统的平衡点，设x_e1、x_e2、x_e3、x_e4是一组平衡点，则由系统微分方程可以得到系统在该平衡点处的雅可比矩阵：

雅可比矩阵的特征方程为：

c₀λ⁴+c₁λ³+c₂λ²+c₃λ+c₄＝0 (11)

系数项c_i都是u、μ、δ_f工况参数以及汽车结构参数的多项式，λ为特征值向量，平衡点的稳定性取决于这些参数的取值情况，根据Hurwitz判据，若：

Δ₁＞0,Δ₂＞0,Δ₃＞0,Δ₄＞0

其中，

则特征方程特征根有实部，非线性动力系统在平衡点处渐进稳定；

汽车前轮的转向角和车速是影响汽车转向稳定性的主要工况参数；考虑到矩阵的零特征根对应汽车转向的临界状态，根据公式(12)利用一定的步长列举车速的值并求解可得临界参数平面；

第三步 利用搜索法确定越过鞍结分岔点的失稳可控域边界，实现车辆非线性动力学模型不同运动形态区域的划分；

利用后轴侧滑后前轮侧向力变化特性、以及轮胎附着椭圆，分析前轮转向、后轮制动力的镇定能力，分析得到横摆角速度、质心侧偏角随转角变化的分岔特性，围绕鞍结分岔点利用搜索法确定越过鞍结分岔点的失稳可控域边界，实现车辆非线性动力学模型不同运动形态区域的划分；

在车辆模型建立过程中引入魔术轮胎非线性模型，为便于分岔理论分析，采用局部线性化的方法，将非线性模型转化成了线性时变参数模型，假设：车辆的实时状态为ε₀，车辆的轮胎侧偏角为α_i，α_i指前轮侧偏角α_f、后轮侧偏角α_r，车辆的侧向力F_i指左前轮侧向力F_fl、右前轮侧向力F_ff、左后轮侧向力F_rl、右后轮侧向力F_rr；因此可以将车辆轮胎的侧向力或转向力表示为：

制动时若后轴比前轴先抱死拖滑，就可能发生后轴侧滑；若前、后轴同时抱死，或者前轴先抱死而后轴抱死或不抱死，则能防止汽车后轴侧滑，但是汽车丧失转向能力；

当后轮抱死，在干扰作用下，发生后轴偏离角α，因产生的离心惯性力F_c与偏离角α的方向相同，F_c起到加剧后轴侧滑的作用，即汽车处于不稳定状态；此时进行后轮侧滑分岔捕捉；

在前轮侧向力以及轮胎附着椭圆的约束下，制定启发规则，由此来改变鞍结分岔点的扩展顺序，将趋于平衡稳定的点优先扩展，使得快速找到最优解；

对每一个鞍结分岔点，有一个估价函数F来估算起始鞍结分岔点经过的最佳路径的代价；每个鞍结分岔点扩展的时候，总是选择具有最小的F的节点；

F＝G+B×H：G为从起始点到当前点的实际代价，已经算出，H为从该点到目标点的最优路径的估计代价，F要单调递增，B随着搜索深度成反比变化，在搜索深度浅的地方，让搜索依靠启发信息，尽快的逼近目标完成失稳可控域的划分，可初步得到失稳可控域判据：

式中，K表示失稳可控域判据，m表示汽车的质量，k₁和k₂表示轮胎侧偏刚度；

在均匀路面工况下，系统的平衡态关于前轮转向角的分布及分岔特性，包括横摆角速度、质心侧偏角的平衡状态及其稳定性随前轮转向角的变化，根据车速、路面附着系数可以得出，对每一个前轮转向角值系统存在多个平衡状态，系统状态才能最终被吸引到平衡点上，汽车才可能保证稳定的稳态转向，否则汽车的稳态转向将最终失稳；

第四步 数据修正，得到可控域判据；围绕实车捕捉汽车后轴侧滑鞍结分岔现象，进行驾驶员操纵的汽车失稳可控操纵试验，在此基础上，进行实车瞬态动力学行为测量，分析轮胎侧滑与轮胎失稳参量，轮胎滑移率、侧偏角的关系，分别将传感器测量得到的车速、横摆角速度、轮速、前轮转角信号来修正步骤四中利用搜索法确定的围绕鞍结分岔点的失稳可控域边界及运动形态；

引入修正参数η_γ、η_β将失稳可控域计算模型中的横摆角速度、质心侧偏角进行实时修正，与根据失稳可控状态时车身和轮胎动力学的变化特征，得到失稳可控域内轮胎状态关键参量、车身状态参量间的因素关联，即侧偏角、汽车横摆角速度、质心侧偏角的关联关系，建立汽车瞬态失稳可控域状态关联模型，构建汽车瞬态失稳可控域判据，综合考虑轮胎侧偏刚度k₁、k₂，路面附着系数μ，轮胎制动力，得到可控域判据：

从而实现失稳可控域解析。

所述的车辆失稳可控域计算系统基于分岔理论计算失稳可控的联动控制区域，并将数据传送给汽车前轮控制系统，汽车前轮控制系统根据接收到的数据及当前车辆状态参数，包括横摆角速度、质心侧偏角计算避让所需的前轮转向以及转角，通过转向助力系统EPS的执行电机来执行，主动转向系统AFS进行转角的辅助纠正。

所述的车辆失稳可控域计算系统基于分岔理论计算失稳可控的联动控制区域，并将数据传送给汽车后轮控制系统，汽车后轮控制系统根据接收到的数据及当前车辆状态参数，包括横摆角速度、质心侧偏角计算避让所需的汽车左右后轮制动力，通过车身电子稳定系统ESP执行，防抱死系统ABS进行辅助纠正。

如图2所示，车辆在不加紧急避让系统时，车辆遇到前方突然的障碍物的时的运动状况，如果车辆运动状态满足车辆动力学约束，车辆很可能无法避开障碍物；如果车辆运动状态突破车辆动力学约束，车辆很可能发生激转失稳，造成危险。

图3所示为本发明联想到的赛车手紧急避让机理，突遇前方障碍物时，紧急避让控制主要分为三个阶段：失稳进入、失稳保持、失稳推出。失稳进入时车辆后轮进入饱和极限区域，后轮发生侧滑，前轮开始反打；失稳保持阶段，前轮回正，后轮侧向力开始减小；失稳推出阶段，车辆重新回到稳定控制阶段，此时便完成了紧急避让。

自动驾驶紧急避让系统通过当前车辆状态以及计算得到的失稳可控联动控制区域，分别计算响应的叠加转角给到主动转向控制系统以及EPS进行转角以及转向控制，同时计算四轮的制动力矩给到ESP系统以及ABS系统，进行四轮的制动力矩分配控制，完成车辆的紧急避让。

汽车前轮控制系统通过当前车辆状态计算得到的失稳可控联动控制区域，计算避让所需的前轮转向以及转角，通过转向助力系统(简称EPS)的执行电机来执行，主动转向系统(简称AFS)主要是来进行转角的辅助纠正。

如图4所示转向系统中，行星齿轮机构具有两个自由度，当转向盘转动时，转向扭杆带动行星轮、太阳轮旋转，控制器根据传感器传来的转向盘转角、转矩以及车速等信号，综合失稳可控域计算的前轮转角-车速，横摆角速度-车速界限区域等。控制转向电机带动行星齿轮齿圈旋转，从而在转向盘输入的基础上叠加了一个附加转角，实现变传动比功能；同时，控制器控制助力电机，通过涡轮蜗杆传动机构提供转向助力，实现电动助力转向功能。本实施例在控制系统的组成上，增加了车辆失稳可控域计算系统；在控制的方法上，考虑的参数或应用的参数，多了车辆失稳可控域的参数。

通过最优控制理论来设计汽车前轮控制系统，具体内容如下：

首先建立主动转向系统的输入轴、转向电机、助力电机和输出轴的系统动力学方程：

T_sen1＝K_s(θ_s-θ_p1)

其中，J_s为输入轴转动惯量；B_s为输入轴黏性阻尼系数；θ_s为输入轴转角；T_h为转向盘转矩；K_s1为扭杆刚性系数；θ_p为转向伺服电机定子转角；J_p1为定子转动惯量；B_p为黏性阻尼；T_s转向伺服电机所产生的电磁转矩；θ_w为转向伺服电机转子转角；J_p2为转子转动惯量；K_s2为扭杆刚性系数；x_r为齿条的位移；r_p为小齿轮半径；T_m助力电机电磁转矩；G为涡轮—蜗杆减速机构的减速比；K_m为助力电机和减速机构的输出刚性系数；J_m为助力电机转动惯量；B_m为电机阻尼系数；θ_m为助力电机转角；F_δ为路面的随机信号；M_r为减速机构、小齿轮和齿条等的当量质量；B_r为减速机构、小齿轮和齿条等的当量阻尼系数；K_r为小齿轮、齿条和轮胎的等效弹簧的弹性系数；T_sen1为输入轴的反作用转矩；T_a为助力电机输出转矩。

系统的状态方程为：

y＝Cx+Du+v

选取状态变量

控制输入u＝[T_m T_s T_h]^T

干扰输入ω＝[F_δ d_t]^T

输出

本实施例确定的最优控制所需的加权矩阵，加权矩阵Q、R分别为：

建立控制指标利用matlab鲁棒工具箱可求解出最优控制器，从而实现对前轮转向和转角的合理控制。

ESP以及ABS系统由控制单元以及获得的车辆的横摆角速度、滑移率、车速传感器等测量的信号，综合滑移率进行的控制，汽车后轮控制系统根据计算的失稳可控域，即滑移率-车速，滑移率-制动力的界限区域进行后轮制动控制。

Claims (6)

1.一种车辆失稳可控域的自动驾驶紧急避让系统，包括汽车前轮控制系统、汽车后轮控制系统、汽车状态参数测量系统，汽车前轮控制系统设有主动转向系统AFS、转向助力系统EPS，汽车后轮控制系统设有车身电子稳定系统ESP、防抱死系统ABS，汽车状态参数测量系统，其特征在于：

所述的自动驾驶紧急避让系统还包括车辆失稳可控域计算系统；

失稳可控域为能够实现汽车失稳可控状态的集合，失稳可控状态是指车辆在行驶过程中，突遇障碍物，通过操纵使后轮侧滑失稳产生横摆角速度激增，突破动力学约束同时保持车身可控，实现车辆的快速横摆转动，在避障前达到空间约束要求的最小车身横摆角，完成失稳避让，将汽车的后轴侧滑失稳、车身可控的动力学状态定义为失稳可控状态

汽车状态参数测量系统通过车辆的传感器实时测量得到车辆的行驶参数，包括横摆角速度、滑移率、车速，并将实时测量结果输入到车辆失稳可控域计算系统；

车辆失稳可控域计算系统主要是在建立纵向、侧向、横摆、侧倾以及轮胎非线性动力学模型基础上，得到失稳可控域的联动计算模型，通过分岔理论分析最终计算出车辆失稳可控域的联动控制区域；

汽车前轮控制系统计算避让所需的前轮转向以及转角，通过转向助力系统EPS的执行电机来执行，主动转向系统AFS进行转角的辅助纠正；汽车后轮控制系统计算避让所需的汽车左右后轮制动力，通过车身电子稳定系统ESP执行，防抱死系统ABS对制动力进行辅助纠正，集成前轮转向以及后轮制动的综合控制，从而实现车辆失稳可控域的联动控制区域的紧急避让控制。

2.根据权力要求1所述车辆失稳可控域的自动驾驶紧急避让系统，其特征在于：所述的汽车状态参数测量系统实时测量车辆的相关状态参数，通过车辆的速度传感器测得速度信号，横摆角速度传感器获得横摆角速度信号，轮速传感器获得车轮的转速信号，车辆的转角传感器获得车辆的转角信号；通过所获得的上述信号，分别计算获得车辆的滑移率信号以及质心侧偏角信号。

3.根据权利要求1所述车辆失稳可控域的自动驾驶紧急避让系统，其特征在于：所述车辆失稳可控域计算系统模型建立，建立车辆的三自由度模型，同时涵盖纵向、侧向、横摆、侧倾以及轮胎多个自由度，模型微分方程为：

其中，β为质心侧偏角，γ为横摆角速度，φ为质心侧倾角，u为纵向车速，m、m_s为汽车的总质量和悬挂质量，l_f、l_r为质心到前后轴的距离，为侧倾刚度和侧倾阻尼，I_zz为汽车关于横摆轴的转动惯量，I_xx为汽车关于侧倾轴的转动惯量，h为悬挂质量质心到侧倾轴的距离，F_fl、F_fr为汽车前左轮和前右轮转向力，F_rl、F_rr为汽车后左轮和后右轮转向力；

轮胎的滑移率方程为：

其中，u_sx为轮速，λ₀表示轮胎的滑移率，ω为车轮滚动角速度，R为轮胎半径，

轮胎模型选取考虑非线性的Pacejka魔术轮胎公式：

Y(x)＝Dsin[Carctan{Bx-E(Bx-arctan(Bx))}] (3)

其中，x表示侧偏角或滑移率，y为侧向力，B为刚度控制系数，C为曲线形态控制系数，D分别为曲线最大值，E为对D的变化情况控制系数；

前后轮侧偏角为：

其中，α_f、α_r分别为前后轮侧偏角，δ_f为前轮转角。

4.根据权利要求3所述车辆失稳可控域的自动驾驶紧急避让系统，其特征在于：所述车辆失稳可控域计算系统基于分岔理论计算失稳可控的联动控制区域，其包括以下几个步骤：

第一步 利用分岔理论计算车辆失稳可控的联动控制区域，首先选取失稳可控区域计算所需的状态变量分别为横摆角速度γ、质心侧偏角β、质心侧倾角及角加速度滑移率λ₀，分岔参数τ的选取分别为车速u、前轮转角δ、四轮转向力F_fl、F_fr、F_rl、F_rr；

利用步骤一所建立系统模型书写系统的状态方程，即：

其中，A、B分别为系统微分方程系数，X为状态变量，可表示为：U为控制输入可表示为：U＝(u,δ,F_fl,F_fr,F_rl,F_rr)^T；

可以简写为其中，x为状态变量，τ为分岔参数；

第二步 前轮转向以及后轮制动力鞍结分岔失稳演化规律获得，包括以下步骤：

(1)针对高维非线性动力学系统解析方法不能求解平衡点问题，需采用中心流形法将高维系统进行降维；

动力学n维非线性系统可表示为设矩阵A的特征值的重数与特征向量所张成的子空间维数相同，其中n₁个特征值有负实部，n₂个特征值有零实部，n₃个特征值有正实部，则n₁+n₂+n₃＝n；记矩阵的特征值η_i(i＝1，2……n)对应的特征向量ρ_i，则由实部为负、实部为零和实部为正的特征根对应的特征向量组成的子空间分别称为稳定子空间、中心子空间和不稳定子空间，分别用E₁、E₂和E₃表示；

对非线性系统f是对应向量场，设原点是平衡点，则可在原点处对系统线性化，并定义为非线性系统在原点处的线性化系统，其中A为原点处的雅可比矩阵A＝D_xf(0)，D_x为系数矩阵；则由矩阵A的负实部、零实部和正实部特征根对应的特征向量张成的子空间E₁、E₂和E₃分别称为局部稳定子空间、局部中心子空间和局部不稳定子空间，在非线性系统中一般仅关心平衡点邻域的动力学特性，与其相切的流形分别称为局部稳定流形、局部中心流形和局部不稳定流形分别用W₁、W₂、W₃表示，都属于局部不变流形；

给定非奇异变换矩阵T将系统的雅可比矩阵A＝D_xf(0)化为对角块的形式，即

其中B和C分别为n₂×n₂和n₁×n₁矩阵，他们特征值分别具有零实部和负实部，n₁＝dimE₁，n₂＝dimE₂，n₁+n₂＝n，令x＝Ty，其中u∈E₂,v∈E₁，则有：

在原点领域内把W₂表示为v＝h(u)带入上式并运用链式求导法则得：

其中g₂(.)为关于u，h(u)的复合函数；

H(u)的微分方程为：

Dh(u)[Au+g₁(u,h(u))]-Bh(u)-g₂(u,h(u))＝0 (9)

由于W₂经过原点并与E₂相切，因此，h(u)满足h(0)＝0,Dh(0)＝0，带入方程(9)并结合方程(7)即可求得中心流降维方程；

(2)求解汽车极限系统平衡点，并分析在前轮转向和后轮制动力输入下，系统平衡点的变化规律；

对非线性动力系统求雅可比矩阵，可分别得出不同分岔参数车速u、前轮转角δ、四轮转向力F_fl、F_fr、F_rl、F_rr，路面附着系数μ的平衡点；综合考虑各参数之间的耦合影响程度，可得出平衡点的变化规律；

(3)在不同附着路面，利用非线性稳定性分析方法得出前轮转角和后轮制动力鞍结分岔失稳演化规律；

使系统微分方程等式左端等于零，求解非线性代数方程组可得到系统的平衡点，设x_e1、x_e2、x_e3、x_e4是一组平衡点，则由系统微分方程可以得到系统在该平衡点处的雅可比矩阵：

雅可比矩阵的特征方程为：

c₀λ⁴+c₁λ³+c₂λ²+c₃λ+c₄＝0 (11)

系数项c_i都是u、μ、δ_f工况参数以及汽车结构参数的多项式，λ为特征值向量，平衡点的稳定性取决于这些参数的取值情况，根据Hurwitz判据，若：

Δ₁＞0,Δ₂＞0,Δ₃＞0,Δ₄＞0

其中，

则特征方程特征根有实部，非线性动力系统在平衡点处渐进稳定；

汽车前轮的转向角和车速是影响汽车转向稳定性的主要工况参数；考虑到矩阵的零特征根对应汽车转向的临界状态，根据公式(12)利用一定的步长列举车速的值并求解可得临界参数平面；

第三步 利用搜索法确定越过鞍结分岔点的失稳可控域边界，实现车辆非线性动力学模型不同运动形态区域的划分；

利用后轴侧滑后前轮侧向力变化特性、以及轮胎附着椭圆，分析前轮转向、后轮制动力的镇定能力，分析得到横摆角速度、质心侧偏角随转角变化的分岔特性，围绕鞍结分岔点利用搜索法确定越过鞍结分岔点的失稳可控域边界，实现车辆非线性动力学模型不同运动形态区域的划分；

在车辆模型建立过程中引入魔术轮胎非线性模型，为便于分岔理论分析，采用局部线性化的方法，将非线性模型转化成了线性时变参数模型，假设：车辆的实时状态为ε₀，车辆的轮胎侧偏角为α_i，α_i指前轮侧偏角α_f、后轮侧偏角α_r，车辆的侧向力F_i指左前轮侧向力F_fl、右前轮侧向力F_ff、左后轮侧向力F_rl、右后轮侧向力F_rr；因此可以将车辆轮胎的侧向力或转向力表示为：

制动时若后轴比前轴先抱死拖滑，就可能发生后轴侧滑；若前、后轴同时抱死，或者前轴先抱死而后轴抱死或不抱死，则能防止汽车后轴侧滑，但是汽车丧失转向能力；

当后轮抱死，在干扰作用下，发生后轴偏离角α，因产生的离心惯性力F_c与偏离角α的方向相同，F_c起到加剧后轴侧滑的作用，即汽车处于不稳定状态；此时进行后轮侧滑分岔捕捉；

在前轮侧向力以及轮胎附着椭圆的约束下，制定启发规则，由此来改变鞍结分岔点的扩展顺序，将趋于平衡稳定的点优先扩展，使得快速找到最优解；

对每一个鞍结分岔点，有一个估价函数F来估算起始鞍结分岔点经过的最佳路径的代价；每个鞍结分岔点扩展的时候，总是选择具有最小的F的节点；

F＝G+B×H：G为从起始点到当前点的实际代价，已经算出，H为从该点到目标点的最优路径的估计代价，F要单调递增，B随着搜索深度成反比变化，在搜索深度浅的地方，让搜索依靠启发信息，尽快的逼近目标完成失稳可控域的划分，可初步得到失稳可控域判据：

式中，K表示失稳可控域判据，m表示汽车的质量，k₁和k₂表示前后轮的轮胎侧偏刚度；

在均匀路面工况下，系统的平衡态关于前轮转向角的分布及分岔特性，包括横摆角速度、质心侧偏角的平衡状态及其稳定性随前轮转向角的变化，根据车速、路面附着系数可以得出，对每一个前轮转向角值系统存在多个平衡状态，系统状态才能最终被吸引到平衡点上，汽车才可能保证稳定的稳态转向，否则汽车的稳态转向将最终失稳；

第四步 数据修正，得到可控域判据；围绕实车捕捉汽车后轴侧滑鞍结分岔现象，进行驾驶员操纵的汽车失稳可控操纵试验，在此基础上，进行实车瞬态动力学行为测量，分析轮胎侧滑与轮胎失稳参量，轮胎滑移率、侧偏角的关系，分别将传感器测量得到的车速、横摆角速度、轮速、前轮转角信号来修正步骤四中利用搜索法确定的围绕鞍结分岔点的失稳可控域边界及运动形态；

引入修正参数η_γ、η_β将失稳可控域计算模型中的横摆角速度、质心侧偏角进行实时修正，与根据失稳可控状态时车身和轮胎动力学的变化特征，得到失稳可控域内轮胎状态关键参量、车身状态参量间的因素关联，即侧偏角、汽车横摆角速度、质心侧偏角的关联关系，建立汽车瞬态失稳可控域状态关联模型，构建汽车瞬态失稳可控域判据，综合考虑轮胎侧偏刚度k₁、k₂，路面附着系数μ，轮胎制动力，得到可控域判据：

从而实现失稳可控域解析。

5.根据权利要求1所述车辆失稳可控域的自动驾驶紧急避让系统，其特征在于：所述的车辆失稳可控域计算系统基于分岔理论计算失稳可控的联动控制区域，并将数据传送给汽车前轮控制系统，汽车前轮控制系统根据接收到的数据及当前车辆状态参数，包括横摆角速度、质心侧偏角计算避让所需的前轮转向以及转角，通过转向助力系统EPS的执行电机来执行，主动转向系统AFS进行转角的辅助纠正。

6.根据权利要求1所述车辆失稳可控域的自动驾驶紧急避让系统，其特征在于：所述的车辆失稳可控域计算系统基于分岔理论计算失稳可控的联动控制区域，并将数据传送给汽车后轮控制系统，汽车后轮控制系统根据接收到的数据及当前车辆状态参数，包括横摆角速度、质心侧偏角计算避让所需的汽车左右后轮制动力，通过车身电子稳定系统ESP执行，防抱死系统ABS进行辅助纠正。