CN109080627B - 一种无人驾驶车辆转弯行驶时侧向力控制方法 - Google Patents

一种无人驾驶车辆转弯行驶时侧向力控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种无人驾驶车辆弯道行驶时侧向力的控制方法，该方法包括通过行车控制电脑ECU命令车载传感器和三维激光雷达系统实时采集转弯控制参数；根据以上参数确定实际转弯所需侧向力；将所需侧向力输入AVCS控制系统进行转弯行为，并判断控制系统实际输出总侧向力是否满足需求：若不满足需求则减速转向行驶；若满足需求则在0.2s后重新采集转弯控制参数，判断是否需要继续转弯；需要继续转弯时判定当前侧向力是否满足需求，若满足需求则保持当前侧向力，不满足需求则重复上述侧向力控制过程，直至驶离弯道。本方法用于无人驾驶汽车转弯行为的自主控制，并能根据实际道路线形状况实时决策转弯行驶策略，确保无人驾驶车辆转弯过程的安全性。

Description

一种无人驾驶车辆转弯行驶时侧向力控制方法
技术领域
本发明属于道路工程以及智能车辆工程领域，尤其涉及一种无人驾驶车辆弯道行驶时的侧向力控制方法。
背景技术
无人驾驶汽车及其对道路环境的感知技术等在未来交通运输领域的应用前景日新月异，是集自动控制系统、智慧道路及环境信息感知等技术于一体的智能交通发展的产物，其主要目的在于实现车辆自动控制驾驶行为，避免人工驾驶时主观影响因素造成的潜在交通事故风险，从而实现汽车的安全行驶，促进交通运输行业的高效、安全发展。目前，在无人驾驶汽车技术及智慧道路领域内都需要实时感知道路周围环境从而做出正确的自动驾驶行为。对于交通量较大的道路上弯道行驶时，AVCS系统中巡航控制无法实现刹车及转弯控制行为，不能满足车辆转弯过程中实时自动控制行驶的需求。同时，及时控制侧向力大小是防止车辆在转弯过程中发生侧翻或滑移的重要手段，而且轮胎-路面的附着系数随着车速变化而变化的，无法人为确保车辆行驶的安全性。
因此，智慧道路领域内亟需无人驾驶车辆弯道行驶时的侧向力控制方法，以满足无人驾驶车辆安全性、可靠性、高效性等多方面需求。
发明内容
发明目的：针对以上现有技术存在的问题，本发明提出一种无人驾驶车辆转弯时的侧向力力控制方法，该方法可以满足转弯行驶时的无人驾驶汽车转弯过程的控制主体的安全性、可靠性、高效性等多方面需求，保证无人驾驶车辆在转弯行驶时的风险降至最低，该方法以0.2s为周期的循环方法为主体，采取侧向力连续控制方式，具有准确、高效、运算简单的特点，用于无人驾驶汽车AVCS系统对车辆转弯过程的自主控制。
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：一种无人驾驶车辆转弯行驶时的侧向力控制方法，该方法包括以下步骤：
(1)通过行车控制电脑ECU命令车载传感器及三维激光雷达获取相应的瞬时参数；
(2)ECU根据步骤(1)中获取的参数确定实际所需侧向力FL实；
(3)ECU将所需侧向力FL实输入AVCS车辆控制系统，并判断AVCS控制系统实际输出总侧向力是否满足转弯需求，若不满足需求，则命令速度自动控制系统及方向自动系统进行转弯，并保持最大侧向力输出；若满足要求，则进入步骤(4)；
(4)ECU命令车载系统重新获取步骤(1)中的参数，并判断是否需要继续控制侧向力进行转弯行驶，若不需继续侧向力控制，则进入正常驾驶状态；若需要继续转弯，则进入步骤(5)；
(5)ECU判定当前侧向力是否满足需求；若满足需求则保持当前侧向力并重新进入步骤(4)，不满足需求，则重新进入步骤(3)，直至瞬时侧向力小于等于车辆发生滑移的临界最大附着力，则侧向力控制结束。
其中，步骤(1)中的瞬时参数包括：无人驾驶车辆当前所在的弯道路段半径RL，车辆瞬时速度vL，无人驾驶车辆当前所在弯道路段的瞬时倾斜角αL及路面纵坡度θ，其中，车辆瞬时速度vL以运动方向为正，倾斜角αL以弯道圆心一侧为正。
其中，步骤(2)确定实际所需侧向力FL实的方法如下：
Figure GDA0002308029270000021
且满足vL≤vr≤vs，纵向稳定性满足
Figure GDA0002308029270000022
其中，RL无人驾驶车辆当前所在的弯道路段半径，vL车辆瞬时速度，αL无人驾驶车辆当前所在弯道路段的瞬时倾斜角，m为整车质量，g为当地实时重力加速度值，
Figure GDA0002308029270000023
为轮胎与路面之间的最大附着力，
Figure GDA0002308029270000024
为轮胎与路面之间的附着系数，vs为转弯不发生侧滑时的安全速度，vr为转弯不发生侧翻时的临界速度，
Figure GDA0002308029270000025
为路面纵向稳定性的安全纵坡度，t1为AVCS控制系统反应时间，即AVCS系统对速度与转向控制系统分别下达减速、转向命令到这两个系统开始启动的时间；t2为车辆AVCS控制系统从开始启动对车轮所施加侧向力至控制系统所能达到的最大侧向力所需时间；当汽车有向弯道曲线外侧滑动趋势时FL实为正值，当汽车有向弯道曲线内侧滑动趋势时FL实为负值。
进一步的，所述转弯不发生侧滑时的安全速度vs的取值范围如下：
Figure GDA0002308029270000026
进一步的，所述转弯不发生侧翻时的临界速度vr计算法方法如下：
Figure GDA0002308029270000027
Figure GDA0002308029270000031
Figure GDA0002308029270000032
其中，hg为车辆质心高度，L为车轮之间的距离，重力G＝mg。
进一步的，所述附着系数
Figure GDA0002308029270000033
的计算方法如下：
Figure GDA0002308029270000034
其中r为轮胎转动半径，w为转动角速度，vL车辆瞬时速度。
其中，步骤(3)的具体方法如下：ECU将实际所需的FL实通过AVCS系统对车辆速度控制系统进行调节，同时转向控制系统介入保持车辆正确行进方向，判定AVCS系统实际输出的车辆总侧向力FL总是否小于等于FL实，若不满足该条件，ECU则指令速度控制系统和转向控制系统介入进行减速转弯，并保持车辆以最大侧向力输出直至安全驶出弯道路段；若满足该条件，则进入步骤(4)。
其中，步骤(4)的方法如下：ECU在0.2s后指令车载传感器并与三维激光雷达进行信息交互以重新获取步骤(1)中的参数，并判断新的瞬时侧向力是否小于等于轮胎与路面的最大附着力，若满足则侧向力控制结束，进入正常驾驶状态，若不满足，则需要继续进行侧向力控制。
其中，步骤(5)的方法如下：根据步骤(4)中判断结果，若需要继续转弯时，ECU重新计算新的所需侧向力FL实1，若FL实大于等于FL实1，则重新进入步骤(4)；若不满足要求，则令FL实＝FL实1，则重新进入步骤(3)，直至判定可以结束转弯，进入正常驾驶状态。
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技术效果：
本发明提供的无人驾驶车辆转弯时的侧向力控制方法，取代人工驾驶中驾驶员对转弯过程的控制角色，以0.2s为周期的循环语句为主体，同时与AVCS控制系统以及三维激光雷达系统的配合。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，使得本方法同时达到准确、安全、快速的效果，能够应对路面上任何弯道驾驶行为等特点。
附图说明
图1为本发明的转弯行驶时侧向力控制方法总体流程图；
图2为本发明的转弯行驶时侧向力控制方法详细流程图；
图3为本发明用到的无人驾驶车辆在水平弯道上形式的受力分析图；
图4为本发明用到的无人驾驶车辆在超高弯道上行驶的受力分析图；
图5为本发明用到的无人驾驶车辆在斜坡弯道上行驶的受力分析图。
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。
本发明公开了一种无人驾驶车辆弯道行驶时的侧向力控制方法，如说明书附图1所示，无人驾驶车辆转弯时的侧向力控制方法的方法过程如下：
(1)通过AVCS控制系统及三维激光雷达获取相应方法输入参数
首先通过测距传感器与三维激光雷达定位系统确定弯道路段的几何信息及道路周围环境，获取驶入的瞬时弯道半径RL和车辆瞬时速度vL，速度以运动方向为正。同时通过车载重力传感器确定车辆所在路面倾斜角αL，其中，倾斜角以偏向曲线内侧为正，坡度角以上坡为正，将测定的四个参数输入ECU系统中，需明确的是方法中所有参数均采用国际单位制。
(2)计算实际所需侧向力FL实
ECU系统按照下述程序进行计算决断：首先将车辆在运行状态视为匀速运动，将路面纵向坡度角θ视为不变定值。车辆驶入弯道上时，以当车辆产生的侧向力小于等于轮胎与路面之间的最大附着力时，车辆转弯不会发生侧滑或侧翻现象。根据车辆瞬时速度vL，确定车辆在弯道行驶的侧向加速度aL：
Figure GDA0002308029270000041
其中，aL为车辆转弯时侧向加速度，方向为偏向曲线内侧；t1为AVCS控制系统反应时间，即AVCS系统对速度与转向控制系统分别下达减速、转向命令到这两个系统开始启动的时间；t2为车辆AVCS控制系统从开始启动对车轮所施加侧向力至控制系统所能达到的最大侧向力所需时间。该两项参数均是车辆控制系统的固有属性值。进一步得出车辆所受离心力F为：
Figure GDA0002308029270000042
其中，F以偏向曲线内侧为正，m为整车质量，g为当地实时重力加速度值，均采用国际单位制。为确保侧向力安全富余以及驶离弯道后车辆仍保持一定合理速度行驶，不考虑本车所受侧向风力、机械摩擦阻力、车轮滚动阻力及不平整道路的侧向冲击等阻力。如说明书附图3所示进行车辆受力分析，可知车辆实际所需施加的侧向力：
Figure GDA0002308029270000051
车辆转弯行驶过程中需要同时考虑纵向或横向稳定性，其失稳性一般存在侧向滑移或倾翻的趋势，根据车辆在弯道行驶的瞬时速度判别车辆在弯道的三种行驶状态。
(2.1)转弯不发生侧滑和翻转时的设计速度vd
以曲线圆心O为参考系，以当车辆轮胎与路面之间的摩擦阻力合力
Figure GDA0002308029270000052
Figure GDA0002308029270000053
时，此时产生的侧向力为极限状态，车辆速度达到设计值vd，即
Figure GDA0002308029270000054
其中，RL为弯道半径，αL为弯道路面倾斜角，
Figure GDA0002308029270000055
为轮胎与路面之间的附着系数，N1、N2为内外两侧车轮对地面的压力，均采用国际单位制。
(2.2)转弯不发生侧滑时的安全速度vs
对于横向稳定性：当车速v>vs时车辆所受的摩擦阻力沿倾斜路基向上，当车速v<vs时车辆所受的摩擦阻力沿倾斜路基向下，确定本车不发生侧滑的安全速度vs范围为：
Figure GDA0002308029270000056
其中，当路面倾斜角αL＝0时
Figure GDA0002308029270000057
车辆受力过程如图4所示。
对于纵向稳定性：车辆在斜坡路段的转弯过程中受力分析如图5所示，对于后轮驱动的车辆根据轮胎-路面附着条件，驱动轮不产生滑移的临界条件：
Figure GDA0002308029270000058
由于则
Figure GDA0002308029270000059
正常路况下轮胎与路面之间的附着系数
Figure GDA00023080292700000510
Figure GDA00023080292700000511
车辆在斜坡弯道上行驶时不产生纵向滑移的临界条件：
Figure GDA00023080292700000512
Figure GDA00023080292700000513
其中
Figure GDA00023080292700000514
为路面纵向稳定性的安全纵坡度，r为轮胎转动半径，w为转动角速度，采用国际单位制。
(2.3)转弯侧翻时的临界速度vr
对于横向稳定性：当车辆转弯行驶的侧向力FL与重力G＝mg的合力作用线通过外侧车轮与倾斜地面的接触线时内侧车轮对倾斜路面的作用力为零，汽车将失去操控并可能导致侧翻，车辆受力分析如图3所示。此时，汽车侧向力FLr，则汽车在倾斜路面上转弯时不发生侧翻的安全临界速度vr为：
Figure GDA0002308029270000061
Figure GDA0002308029270000062
Figure GDA0002308029270000063
当αL→0时，sinαL→0，cosαL→1；此时
Figure GDA0002308029270000064
为车辆在平路转弯时发生侧翻的临界速度。其中，hg为车辆质心高度，L为车轮之间的距离，采用国际单位制。
对于纵向稳定性：车辆在斜坡路段的转弯过程中受力分析如图5所示，则车辆产生纵向倾覆的临界条件：
mgl2cosθ0-mghgsinθ0≤0，即
Figure GDA0002308029270000065
其中，l2为汽车质心距离后轮的距离，θ0为不产生纵向倾覆的临界纵坡度，均采用国际单位制。一般l2/hg≈1.0，而
Figure GDA0002308029270000066
所以恒有
Figure GDA0002308029270000067
即在发生纵向倾覆之前首先发生纵向滑移，车辆在弯道斜坡上行驶时纵向稳定性的条件为
Figure GDA0002308029270000068
(3)ECU将FL实输入AVCS控制系统，并判断AVCS系统实际输出总侧向力是否满足转弯需求决定是否进入步骤(4)。
为了确保同时兼顾转弯过程的效率以及方向可控性，采用AVCS系统进行实际车辆转弯行为控制。为确保实际侧向力的富余，且保证内侧车轮对倾斜地面的作用力不首先出现临界状态即vL≤vr<vs且满足纵向稳定性
Figure GDA0002308029270000069
保证车辆转弯过程中的操控性，因此输入AVCS系统的总制动力为1.1FL实，即取用1.1的安全系数。对实际AVCS系统输出总侧向力FL总的充足性判别时不考虑1.1安全系数，即判定FL总是否大于等于FL实，若不符合条件则配合三维激光雷达系统进行定位转向控制，并保持车辆最大富余侧向力输出直至安全驶离弯道路段。
(4)更新参数并判别是否继续侧向力控制，若不需继续侧向力控制则表明车辆驶离弯道，否则进入步骤(5)。
进入步骤(3)0.2s后，通过距离传感器与三维激光雷达系统对弯道路段环境进行重新定位，获取车辆瞬时状态所位于的弯道半径RL1、瞬时速度vL1。同时通过车载重力传感器确定车辆所在路面当前坡度αL1及弯道纵向坡度θ1，判定FL实1是否小于等于轮胎与路面的最大附着力
Figure GDA0002308029270000071
符合该条件说明可以结束转弯行为控制，恢复正常驾驶状态，否则进入步骤(5)。
(5)ECU判定当前侧向力FL总是否满足需求；若满足需求则保持当前侧向力，不满足需求则更新FL实，重复步骤(3)，直至瞬时侧向力是否小于等于轮胎与路面的最大附着力时结束侧向力控制。
当步骤(4)中判定进入此步骤时，则根据重新输入的参数RL1，vL1以及αL1，实际所需侧向力FL实1：
Figure GDA0002308029270000072
ECU根据上述计算公式计算新的实际所需侧向力FL实1，并判定FL实1是否小于等于FL实，若不满足该条件则重新进入步骤四；若满足该条件则说明当前侧向力不满足安全转弯需求，则令FL实等于FL实1，重新进入步骤(3)。

Claims (9)

1.一种无人驾驶车辆转弯行驶时的侧向力控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)通过行车控制电脑ECU命令车载传感器及三维激光雷达获取相应的瞬时参数；
(2)ECU根据步骤(1)中获取的参数确定实际所需侧向力FL实；
(3)ECU将所需侧向力FL实输入AVCS车辆控制系统，并判断AVCS控制系统实际输出总侧向力是否满足转弯需求，若不满足需求，则命令速度自动控制系统及方向自动系统进行转弯，并保持最大侧向力输出；若满足要求，则进入步骤(4)；
(4)ECU命令车载系统重新获取步骤(1)中的参数，并判断是否需要继续控制侧向力进行转弯行驶，若不需继续侧向力控制，则进入正常驾驶状态；若需要继续转弯，则进入步骤(5)；
(5)ECU判定当前侧向力是否满足需求；若满足需求则保持当前侧向力并重新进入步骤(4)，不满足需求，则重新进入步骤(3)，直至瞬时侧向力小于等于车辆发生滑移的临界最大附着力，则侧向力控制结束。
2.根据权利要求1所述的一种无人驾驶车辆转弯行驶时的侧向力控制方法，其特征在于，步骤(1)中的瞬时参数包括：无人驾驶车辆当前所在的弯道路段半径RL，车辆瞬时速度vL，无人驾驶车辆当前所在弯道路段的瞬时倾斜角αL及路面纵坡度θ，其中，车辆瞬时速度vL以运动方向为正，倾斜角αL以弯道圆心一侧为正。
3.根据权利要求1所述的一种无人驾驶车辆转弯行驶时的侧向力控制方法，其特征在于，步骤(2)确定实际所需侧向力FL实的方法如下：
Figure FDA0002341357300000011
且满足vL≤vr≤vs，纵向稳定性满足
Figure FDA0002341357300000012
其中，RL无人驾驶车辆当前所在的弯道路段半径，vL车辆瞬时速度，αL无人驾驶车辆当前所在弯道路段的瞬时倾斜角，m为整车质量，g为当地实时重力加速度值，
Figure FDA0002341357300000013
为轮胎与路面之间的最大附着力，
Figure FDA0002341357300000015
为轮胎与路面之间的附着系数，vs为转弯不发生侧滑时的安全速度，vr为转弯不发生侧翻时的临界速度，
Figure FDA0002341357300000014
为路面纵向稳定性的安全纵坡度，t1为AVCS控制系统反应时间，即AVCS系统对速度与转向控制系统分别下达减速、转向命令到这两个系统开始启动的时间；t2为车辆AVCS控制系统从开始启动对车轮所施加侧向力至控制系统所能达到的最大侧向力所需时间；当汽车有向弯道曲线外侧滑动趋势时FL实为正值，当汽车有向弯道曲线内侧滑动趋势时FL实为负值。
4.根据权利要求3所述的一种无人驾驶车辆转弯行驶时的侧向力控制方法，其特征在于，所述转弯不发生侧滑时的安全速度vs的取值范围如下：
Figure FDA0002341357300000021
5.根据权利要求3所述的一种无人驾驶车辆转弯行驶时的侧向力控制方法，其特征在于，所述转弯不发生侧翻时的临界速度vr计算法方法如下：
Figure FDA0002341357300000022
Figure FDA0002341357300000023
Figure FDA0002341357300000024
其中，FLr为转弯不发生侧翻时的汽车侧向力，hg为车辆质心高度，L为车轮之间的距离，重力G＝mg。
6.根据权利要求3所述的一种无人驾驶车辆转弯行驶时的侧向力控制方法，其特征在于，所述附着系数
Figure FDA0002341357300000026
的计算方法如下：
Figure FDA0002341357300000025
其中r为轮胎转动半径，w为转动角速度，vL车辆瞬时速度。
7.根据权利要求1所述的一种无人驾驶车辆转弯行驶时的侧向力控制方法，其特征在于，步骤(3)的具体方法如下：ECU将实际所需的FL实通过AVCS系统对车辆速度控制系统进行调节，同时转向控制系统介入保持车辆正确行进方向，判定AVCS系统实际输出的车辆总侧向力FL总是否小于等于FL实，若不满足，ECU则指令速度控制系统和转向控制系统介入进行减速转弯，并保持车辆以最大侧向力输出直至安全驶出弯道路段；若满足，则进入步骤(4)。
8.根据权利要求1所述的一种无人驾驶车辆转弯行驶时的侧向力控制方法，其特征在于，步骤(4)的方法如下：ECU在0.2s后指令车载传感器并与三维激光雷达进行信息交互以重新获取步骤(1)中的参数，并判断新的瞬时侧向力是否小于等于轮胎与路面的最大附着力，若满足则侧向力控制结束，进入正常驾驶状态，若不满足，则需要继续进行侧向力控制。
9.根据权利要求1所述的一种无人驾驶车辆转弯行驶时的侧向力控制方法，其特征在于，步骤(5)的方法如下：根据步骤(4)中判断结果，若需要继续转弯时，ECU重新计算新的所需侧向力FL实1，若FL实大于等于FL实1，则重新进入步骤(4)；若不满足要求，则令FL实＝FL实1，则重新进入步骤(3)，直至判定可以结束转弯，进入正常驾驶状态。
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