CN109080608B - 一种无人驾驶车辆在雨雪湿滑路面紧急制动时的制动力控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人驾驶车辆在雨雪湿滑路面紧急制动时的制动力控制方法，该方法通过无人驾驶汽车车载传感器读取相关参数计算确定实际所需制动力，将所需制动力按照比例通过ABS防抱死系统输出给制动器并检测车轮滑移率，同时记录相关计算参数；根据各个车轮滑移率大小进行不同的制动力控制程序，小滑移率下以0.5s为周期进行循环控制；大滑移率下采用Kienche模型确定最佳滑移率，ECU指令ABS系统以最佳滑移率为基准进行0.5s为周期的制动力控制。本制动力控制方法用于无人驾驶汽车在雨雪湿滑路面上进行紧急制动时对车辆制动行为的自主控制，能够根据障碍物的各个时刻状况以及路面轮胎实时接触特性等情况进行实时制动决策，保证行车安全。

Description

一种无人驾驶车辆在雨雪湿滑路面紧急制动时的制动力控制 方法

技术领域

本发明属于道路工程以及车辆工程领域，尤其涉及一种无人驾驶车辆在雨雪湿滑路面紧急制动时的制动力控制方法。

背景技术

随着自动化控制技术，电子计算机信息技术的飞速发展，未来汽车正不可避免的向着无人自动驾驶的方向发展。在自动驾驶汽车的行驶过程中，紧急制动是车辆遇险时规避风险的重要手段，其对于车辆运行安全具有十分重要的保障意义。在车辆紧急制动时，当外界车道由于雨雪等天气处于湿滑状态时，车辆很容易由于轮胎----路面附着力的降低而产生打滑现象，造成严重的安全隐患。因此，在无人驾驶车辆紧急制动时，有必要针对雨雪湿滑路面建立安全有效的制动力控制方法，保证无人驾驶车辆的运行安全。

发明内容

发明目的：针对以上现有技术存在的技术问题，本发明提出了一种无人驾驶车辆在雨雪湿滑路面紧急制动时的制动力控制方法。该方法以循环控制方法为主体，采取制动力连续控制方式，同时具有可靠，快速，运算简洁的特点。能够同时处理静态以及动态障碍物，并能够根据障碍物的各个时刻状况以及路面轮胎实时接触特性等情况进行实时制动决策，确保紧急制动过程的安全性。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种无人驾驶车辆在雨雪湿滑路面紧急制动时的制动力控制方法，该方法包括以下步骤：

(1)车载电脑ECU指令车载传感器读取相应的瞬时参数；

(2)车载电脑ECU根据步骤(1)中的参数计算实际所需制动力F_实；

(3)车载电脑ECU将F_实按照比例通过ABS防抱死系统输入四个车轮制动器，车载电脑ECU命令各车轮角速度传感器计算记录各车轮滑移率达到0.03，0.06，0.1时的角加速度以及制动力Fz；若无车轮滑移率大于0.1，则进入步骤(4)，反之进入步骤(5)；

(4)车载电脑ECU指令车载传感器重新获取当前瞬时参数，判定是否需要继续制动，若无需继续制动，则退出制动程序，进入正常驾驶状态；若需要继续制动，则重新计算实际所需制动力F_实1，判定F_实1是否大于F_实，是则令F_实等于F_实1，重新进入步骤(3)，否则0.5s后重新执行步骤(4)；

(5)车载电脑ECU根据步骤(3)中记录的滑移率超过0.1的车轮对应制动力以及角加速度数据，利用Kienche模型通过最小二乘法解出模型参数P₁，P₂超定解，并通过Kienche模型计算确定当前路面状态下车轮最佳滑移率λ_opt及最大摩擦系数μ_max；

(6)车载电脑ECU将步骤(5)计算得出的最佳滑移率λ_opt输入ABS防抱死系统，指令ABS系统将车轮滑移率以λ_opt为最佳滑移率指标进行制动控制，同时车载电脑ECU根据车身速度传感器信号差分得到当前车身减速速率a_r；

(7)车载电脑ECU指令车载传感器获取当前瞬时参数，判定是否需要继续制动，若无需继续制动则退出制动程序，进入正常驾驶状态；若需要继续制动，则重新计算所需减速速率a₂，判定a₂是否大于等于a_r，是则车载电脑ECU指令车辆转向控制系统介入，采取转向避障措施；否则0.5s后，重新进行步骤(7)。

其中，步骤(1)中的具体参数类型包括：无人驾驶车辆当前与障碍物的瞬时相对距离Sr，当前与障碍物的瞬时相对速度Vr，当前所在路面的瞬时坡度角θ，其中，相对速度Vr以相对运动方向为正，坡度角θ以上坡为正。

其中，步骤(2)所确定实际所需制动力F_实的具体方法：

其中，m为整车质量，g为当地实时重力加速度值。

其中，步骤(3)中，将F_实通过ABS防抱死系统输入四个车轮制动器的具体比例：输入两前轮与两后轮制动器的具体制动力比例为0.3F_实，0.3F_实，0.25F_实，0.25F_实。

其中，步骤(3)中，记录计算车轮滑移率以及角加速度的具体方法：车载电脑ECU根据四个轮速传感器读取的角速度ω以及车身速度传感器读取的车身速度数据v计算四个车轮实时滑移率λ，计算式为：

其中R为车轮半径，当车轮滑移率达到0.03，0.06以及0.1时，车载电脑ECU根据此时的轮速传感器数据信号差分得到相应的车轮角加速度α_0.03；α_0.06；以及α_0.1；，若四个车轮中没有车轮滑移率达到0.1，则退出角加速度以及滑移率的计算记录步骤。

其中，步骤(4)以及步骤(7)中，判定是否需要继续制动的具体方法：车载电脑ECU对车载传感器下达指令重新获取当前瞬时参数：无人驾驶车辆与障碍物的瞬时相对距离Sr₁和Sr₂，无人驾驶车辆当前与障碍物的瞬时相对速度Vr₁和Vr₂，无人驾驶车辆当前所在路面的瞬时坡度角θ₁和θ₂，判定Vr₁和Vr₂是否小于等于零，若成立，则退出制动程序，制动结束；否则需要继续制动。

其中，步骤(5)中采用Kienche模型，并通过最小二乘法计算模型参数P₁，P₂超定解的具体方法如下：

其中：

其中，μ_0.03，μ_0.06，μ_0.1分别为滑移率为0.03,0.06以及0.1时的摩擦系数，由下式计算得出：

式中，α_0.03；α_0.06；α_0.1分别为步骤(3)中获取的滑移率为0.03；0.06以及0.1时的车轮角加速度；J为车轮转动惯量；T_b为车轮对应的制动力矩；R为车轮半径；Fz为制动力，通过Kienche模型计算确定当前车轮最佳滑移率λ_opt及最大摩擦系数μ_max。

其中，步骤(5)通过Kienche模型计算确定当前车轮最佳滑移率λ_opt及最大摩擦系数μ_max的方法如下：

其中，步骤(7)的具体步骤为：车载电脑ECU指令车载传感器获取本车当前与障碍物的瞬时相对距离Sr₂，本车当前与障碍物的瞬时相对速度Vr₂，判定Vr₂是否小于等于零，若小于等于零则无需继续制动，进入正常驾驶；反之则需要继续制动，则车载电脑ECU根据式

重新计算实际所需减速速率a₂，判定a₂是否大于等于a_r，是则车载电脑ECU指令车辆转向控制系统介入，采取转向避障措施；否则0.5s后重新进行步骤(7)。

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益的技术效果：

(1)本发明提供的无人驾驶车辆在雨雪湿滑路面紧急制动时的制动力控制方法，取代有人驾驶中驾驶员对制动过程的控制角色，以循环语句为主体控制体，同时与ABS防抱死系统以及车辆转向控制系统配合，采用Kienche模型对胎路特性进行实时评估。

(2)本发明提供的无人驾驶车辆在雨雪湿滑路面紧急制动时的制动力控制方法以运算简单快速，可靠性高的瞬时稳定状态分析为核心方法，使得该控制方法同时达到可靠，安全，简洁快速，能够同时处理静态以及动态障碍物，并能够根据障碍物的各个时刻状况以及路面轮胎实时接触特性等情况进行实时制动决策，确保紧急制动过程的安全性。

附图说明

图1为本发明的紧急制动制动力控制方法总体流程图；

图2为本发明的紧急制动制动力控制方法详细流程图；

图3为本发明用到的车辆受力分析图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

本发明公开一种无人驾驶车辆在雨雪湿滑路面紧急制动时的制动力控制方法，其总体控制流程如图1所示，详细控制流程如图2所示。本发明公开的无人驾驶车辆紧急制动时的制动力控制方法的运行过程如下：

(1)行车控制电脑(ECU)指令车载传感器获取相应方法输入参数

首先通过测距传感器与车载米波雷达定位确定障碍物，获取本车与障碍物的相对距离Sr与相对速度Vr，速度以相对运动方向为正。同时通过车载重力传感器确定车辆所在路面当前坡度角θ，坡度角以上坡为正。将该三参数输入车载电脑ECU中，该方法中所有参数均采用国际单位制。

(2)计算实际所需制动力F_实

车载电脑ECU按照下述程序进行计算决断：首先将本车运行状态与障碍物运行状态视为匀速运动，将坡度角θ视为不变定值。以障碍物为参考系，以当车辆与障碍物相对速度减为零时，二者相对距离也正好减为零为极限状态，确定本车减速速率

其中a以减速为正，加速为负。进一步得出车辆所需总向后力为

其中F以本车运行反方向为正，m为本车整车质量，采用国际单位制。为确保制动力的充足以及制动结束后本车与障碍物尚存一定安全距离，不考虑本车所受风阻，机械摩阻力以及车轮滚动等阻力。如图2所示，进行车辆受力分析，可知车辆实际所需施加的制动力：

(3)车载电脑ECU将F_实按照比例通过ABS防抱死系统输入四个车轮制动器，车载电脑ECU命令各车轮角速度传感器计算记录是否有车轮滑移率达到0.1，同时计算记录各车轮滑移率达到0.03，0.06，0.1时的角加速度以及车轮的竖向力Fz。

为确保实际制动力的充足，且保证车辆制动过程中的操控性，分别以0.3F_实，0.25F_实的比例分别将制动力分配给两个前轮与两个后轮，因此输入ABS系统的四轮总和制动力为1.1F_实，即取用1.1的安全系数。车载电脑ECU根据四个轮速传感器读取的角速度ω以及车身速度传感器读取的车身速度数据v计算四个车轮实时滑移率λ，计算式为

其中R为车轮半径。当车轮滑移率达到0.03，0.06以及0.1时，车载电脑ECU根据此时的轮速传感器数据信号差分得到相应滑移率时的车轮角加速度α_0.03；α_0.06以及α_0.1。若四个车轮中没有车轮滑移率达到0.1，则退出角加速度以及滑移率的计算记录，进入步骤(4)，否则进入步骤(5)。

(4)车载电脑ECU指令车载传感器重新获取当前瞬时参数，进入低制动力制动控制循环

车载电脑ECU指令车载传感器重新获取当前瞬时参数，判定是否需要继续制动。车载电脑ECU对车载传感器下达指令重新获取当前瞬时参数：与障碍物的瞬时相对距离Sr₁，本车当前与障碍物的瞬时相对速度Vr₁，本车当前所在路面的瞬时坡度角θ₁，判定Vr₁是否小于等于零，若成立则退出制动程序，制动结束；否则需要继续制动，即重新计算实际所需制动力F_实1，判定F_实1是否大于F_实，是则令F_实等于F_实1，重新进入步骤(3)，否则0.5s后重新执行步骤(4)。

(5)确定当前轮胎----路面附着特性下Kienche模型计算参数，并通过Kienche模型计算确定当前路面状态下车轮最佳滑移率λ_opt及最大摩擦系数μ_max。

采用Kienche模型，并通过最小二乘法计算模型参数P₁，P₂的超定解，其具体方程组解法为：

其中，μ_0.03，μ_0.06，μ_0.1分别为滑移率为0.03,0.06以及0.1时的摩擦系数，由下式计算得出：

式中，α_0.03；α_0.06；α_0.1分别为步骤(3)中获取的滑移率为0.03；0.06以及0.1时的车轮角加速度；J为车轮转动惯量；Tb为车轮对应的制动力矩；R为车轮半径；Fz为制动力。通过Kienche模型计算确定当前车轮最佳滑移率λ_opt及最大摩擦系数μ_max，具体计算方程为

(6)车载电脑ECU指令ABS系统以最佳滑移率λ_opt对四个车轮进行制动控制，并得出车辆实际车身减速速率a_r；根据a_r计算车身总制动力F_总

车载电脑ECU将步骤(5)计算出的最佳滑移率λopt输入ABS系统，命令ABS系统以λ_opt为最佳滑移率对车轮进行控制。同时，通过车身速度传感器数据信号差分得到车身当前实际减速速率a_r，由车载电脑ECU根据式F_总＝ma_r计算车身当前总制动力F_总。

(7)车载传感器更新当前瞬时参数，判定是否需要继续制动，并根据当前总制动力F_总进行不同制动决断。

车载电脑ECU指令车载传感器获取当前瞬时参数：与障碍物的瞬时相对距离Sr₂，本车当前与障碍物的瞬时相对速度Vr₂，判定Vr₂是否小于等于零，若小于等于零则无需继续制动，退出制动程序，进入正常驾驶状态；反之则需要继续制动，则车载电脑ECU根据式

重新计算实际所需减速速率a₂，判定a₂是否大于等于a_r，是则车载电脑ECU指令车辆转向控制系统介入，采取转向避障措施；否则0.5s后重新进行步骤(7)。

Claims (3)

1.一种无人驾驶车辆在雨雪湿滑路面紧急制动时的制动力控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)车载电脑ECU指令车载传感器读取相应的瞬时参数，包括无人驾驶车辆当前与障碍物的瞬时相对距离Sr，当前与障碍物的瞬时相对速度Vr，当前所在路面的瞬时坡度角θ，其中，相对速度Vr以相对运动方向为正，坡度角θ以上坡为正；

(2)车载电脑ECU根据步骤(1)中的参数计算实际所需制动力F_实，其中实际所需制动力F_实的具体方法：

其中，m为整车质量，g为当地实时重力加速度值；

(3)车载电脑ECU将F_实按照比例通过ABS防抱死系统输入四个车轮制动器，车载电脑ECU命令各车轮角速度传感器计算记录各车轮滑移率达到0.03，0.06，0.1时的角加速度以及制动力Fz；若无车轮滑移率大于0.1，则进入步骤(4)，反之进入步骤(5)；

其中记录计算车轮滑移率以及角加速度的具体方法：车载电脑ECU根据四个轮速传感器读取的角速度ω以及车身速度传感器读取的车身速度数据v计算四个车轮实时滑移率λ，计算式为：

其中R为车轮半径，当车轮滑移率达到0.03，0.06以及0.1时，车载电脑ECU根据此时的轮速传感器数据信号差分得到相应的车轮角加速度α_0.03；α_0.06；以及α_0.1，若四个车轮中没有车轮滑移率达到0.1，则退出角加速度以及滑移率的计算记录步骤；

(4)车载电脑ECU指令车载传感器重新获取当前瞬时参数，判定是否需要继续制动，若无需继续制动，则退出制动程序，进入正常驾驶状态；若需要继续制动，则重新计算实际所需制动力F_实1，判定F_实1是否大于F_实，是则令F_实等于F_实1，重新进入步骤(3)，否则0.5s后重新执行步骤(4)；

其中，判定是否需要继续制动的具体方法：车载电脑ECU对车载传感器下达指令重新获取当前瞬时参数：无人驾驶车辆与障碍物的瞬时相对距离Sr₁和Sr₂，无人驾驶车辆当前与障碍物的瞬时相对速度Vr₁和Vr₂，无人驾驶车辆当前所在路面的瞬时坡度角θ₁和θ₂，判定Vr₁和Vr₂是否小于等于零，若成立，则退出制动程序，制动结束；否则需要继续制动；

(5)车载电脑ECU根据步骤(3)中记录的滑移率超过0.1的车轮对应制动力以及角加速度数据，利用Kienche模型通过最小二乘法解出模型参数P₁，P₂超定解，并通过Kienche模型计算确定当前路面状态下车轮最佳滑移率λ_opt及最大摩擦系数μ_max；

其中计算模型参数P₁，P₂超定解的具体方法如下：

其中：

其中，μ_0.03，μ_0.06，μ_0.1分别为滑移率为0.03,0.06以及0.1时的摩擦系数，由下式计算得出：

式中，α_0.03；α_0.06；α_0.1分别为步骤(3)中获取的滑移率为0.03；0.06以及0.1时的车轮角加速度；J为车轮转动惯量；T_b为车轮对应的制动力矩；R为车轮半径；Fz为制动力，通过Kienche模型计算确定当前车轮最佳滑移率λ_opt及最大摩擦系数μ_max；

计算确定当前车轮最佳滑移率λ_opt及最大摩擦系数μ_max的方法如下：

(6)车载电脑ECU将步骤(5)计算得出的最佳滑移率λ_opt输入ABS防抱死系统，指令ABS系统将车轮滑移率以λ_opt为最佳滑移率指标进行制动控制，同时车载电脑ECU根据车身速度传感器信号差分得到当前车身减速速率a_r；

(7)车载电脑ECU指令车载传感器获取当前瞬时参数，判定是否需要继续制动，若无需继续制动则退出制动程序，进入正常驾驶状态；若需要继续制动，则重新计算所需减速速率a₂，判定a₂是否大于等于a_r，是则车载电脑ECU指令车辆转向控制系统介入，采取转向避障措施；否则0.5s后，重新进行步骤(7)。

2.根据权利要求1所述的一种无人驾驶车辆在雨雪湿滑路面紧急制动时的制动力控制方法，其特征在于，步骤(3)中，将F_实通过ABS防抱死系统输入四个车轮制动器的具体比例：输入两前轮与两后轮制动器的具体制动力比例为0.3F_实，0.3F_实，0.25F_实，0.25F_实。

3.根据权利要求1所述的一种无人驾驶车辆在雨雪湿滑路面紧急制动时的制动力控制方法，其特征在于，步骤(7)的具体步骤为：车载电脑ECU指令车载传感器获取本车当前与障碍物的瞬时相对距离Sr₂，本车当前与障碍物的瞬时相对速度Vr₂，判定Vr₂是否小于等于零，若小于等于零则无需继续制动，进入正常驾驶；反之则需要继续制动，则车载电脑ECU根据式

重新计算实际所需减速速率a₂，判定a₂是否大于等于a_r，是则车载电脑ECU指令车辆转向控制系统介入，采取转向避障措施；否则0.5s后重新进行步骤(7)。

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