CN111605542B - 一种基于安全边界的车辆稳定性系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于安全边界的车辆稳定性系统及控制方法，该系统包括传感器模块、路面附着系数估计模块、主动转向模块、横摆力矩控制模块、ECU控制模块、安全边界计算模块；安全边界计算模块根据获取的横摆角速度信号、质心侧偏角信号、前轮转角信号、路面附着系数信号计算出当前车辆状态下横摆角速度和质心侧偏角的稳态值和极限值，根据计算结果划分出稳定区、过度区、不稳定区三个特征区域，判断车辆当前时刻所处的区域，并将此信号传递给ECU模块；ECU模块根据安全边界计算模块传来的信号，协调控制主动转向模块、横摆力矩控制模块工作，从而提高车辆的稳定性能。

Description

一种基于安全边界的车辆稳定性系统及控制方法

技术领域

本发明涉及汽车辅助驾驶领域，尤其涉及一种基于安全边界的车辆稳定性系统及控制方法。

背景技术

汽车的稳定性是指汽车在行驶过程中，受到外界因素干扰时，能自行保持原有的运动状态或迅速恢复原有的行驶状态的能力，它是汽车的重要性能之一。汽车稳定性的好坏直接影响其行车速度和行驶安全等性能的高低。

目前对于车辆的稳定性控制主要是通过单独的主动转向或者横摆力矩控制来提高车辆的稳定性。这种单独的车辆稳定性控制手段能达到一定效果，但是结果还不够理想。而集成主动转向和横摆力矩控制的车辆稳定性控制手段具有更加优异的效果。但是如何协调主动转向控制和横摆力矩控制是目前稳定性控制亟待解决的一个问题。

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，提供一种基于安全边界的车辆稳定性系统及控制方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于安全边界的车辆稳定性系统，包括传感器模块、路面附着系数估计模块、主动转向模块、横摆力矩控制模块、ECU控制模块、安全边界计算模块；

所述传感器模块包括横摆角速度传感器、质心侧偏角传感器、前轮转角传感器、轮速传感器；

所述横摆角速度传感器、质心侧偏角传感器设置在车辆的质心处，用于获取车辆的横摆角速度信号和车辆的质心侧偏角信号，并将其传递给安全边界计算模块；

所述前轮转角传感器设置在前轮内，用于获取前轮转角信号，并将其传递给安全边界计算模块；

所述轮速传感器设置在车轮内，用于获取车辆的速度，并将其传递给安全边界计算模块；

所述路面附着系数估计模块用于估计路面附着系数，并将估计结果传递给安全边界计算模块；

所述安全边界计算模块根据获取的横摆角速度信号、质心侧偏角信号、前轮转角信号、路面附着系数信号计算出当前车辆状态下横摆角速度和质心侧偏角的稳态值、极限值，根据计算结果划分出稳定区、过度区、不稳定区三个特征区域，判断车辆当前时刻所处的区域，并将此传递给ECU模块；

所述ECU模块根据安全边界计算模块传来的信号，协调控制主动转向模块、横摆力矩控制模块工作；

所述主动转向模块包括转向电机，通过控制前轮转角从而控制车辆稳定性；

所述横摆力矩控制模块包括两个后轮轮毂电机，通过控制两个后轮轮毂电机的制动力差值，产生附加横摆力矩，从而控制车辆的稳定性。

本发明还公开了一种该基于安全边界的车辆稳定性系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤1)，建立车辆进入稳定状态时的横摆角速度ω₁、质心侧偏角β₁表达式：

式中，v为车辆的速度；δ为前轮转角；a为车联质心距前轴的距离；b为车辆质心距后轴的距离；m为车辆的质量；L＝a+b；

k_r为后轮侧偏刚度；

步骤2)，建立车辆进入极限状态时的横摆角速度ω₂、质心侧偏角β₂表达式：

ω₂＝0.85μg/v

式中，μ为路面附着系数；g为重力加速度；

步骤3)，建立车辆安全边界；

选取车辆的横摆角速度ω作为横坐标、质心侧偏角β作为纵坐标，建立平面直角坐标系；

所述车辆安全边界将平面直角坐标系划分为稳定区、过度区、不稳定区；

所述稳定区的范围为-ω₁≤ω≤ω₁且-β₁≤β≤β₁；

所述过渡区的范围为ω₁＜∣ω∣≤ω₂且∣β∣≤β₂，或者-ω₁＜ω≤ω₁且β₁＜∣β∣≤β₂；

所述不稳定区的范围为∣ω∣>ω₂，或者∣β∣>β₂；

步骤4)，计算车辆状态点与安全边界的最小距离；

令所建立的平面直角坐标系上原点O的坐标为(0，0)，车辆的任意一个状态点P的坐标定义为(ω，β)，连接O点与P点分别与稳定区的左半区交于P₁点、右半区交于P₂点；连接O点与P点分别与过渡区的左半区交于P₃点、右半区交于P₄点；

则P点到稳定区、过渡区的最小距离分别表示为：

式中，S₁为P点到稳定区的最小距离，S₂为P点到过度区的最小距离；

步骤5)，根据以下公式计算关联函数：

式中，R为关联函数；

步骤6)，根据计算得到的关联函数R，判断车辆所处的区域；

当R≥1时，说明车辆处在稳定区，通过主动转向对车辆稳定性进行控制，ECU控制主动转向模块进行工作，横摆力矩控制模块不工作；

当R≤0时，说明车辆处在不稳定区，通过横摆力矩控制对车辆稳定性进行控制，ECU控制横摆力矩控制模块进行工作，主动转向模块不工作；

当0<R<1时，说明车辆处于过渡区，通过横摆力矩控制和主动转向联合对车辆稳定性进行控制，ECU控制横摆力矩控制模块和主动转向模块同时工作。

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：

本发明根据车辆稳定性控制指标的稳态值和极限值作为汽车行驶的安全边界，并且将汽车行驶状态分为稳定区、过渡区、不稳定区，并且根据车辆所处的区域采用单独主动转向、单独横摆力矩控制以及集成主动转向和横摆力矩控制的手段对车辆的稳定性进行协调控制，从而更好地提高了车辆行驶的稳定性能。

附图说明

图1是本发明一种基于安全边界的车辆稳定性系统结构图；

图2是本发明划分的汽车安全边界。

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：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

参照图1所示，一种基于安全边界的车辆稳定性系统，包括传感器模块、路面附着系数估计模块、主动转向模块、横摆力矩控制模块、ECU控制模块、安全边界计算模块；

所述传感器模块包括横摆角速度传感器、质心侧偏角传感器、前轮转角传感器、轮速传感器；

所述横摆角速度传感器、质心侧偏角传感器设置在车辆的质心处，用于获取车辆的横摆角速度信号和车辆的质心侧偏角信号，并将其传递给安全边界计算模块；

所述前轮转角传感器设置在前轮内，用于获取前轮转角信号，并将其传递给安全边界计算模块；

所述轮速传感器设置在车轮内，用于获取车辆的速度，并将其传递给安全边界计算模块；

所述路面附着系数估计模块用于估计路面附着系数，并将估计结果传递给安全边界计算模块；

所述安全边界计算模块根据获取的横摆角速度信号、质心侧偏角信号、前轮转角信号、路面附着系数信号计算出当前车辆状态下横摆角速度和质心侧偏角的稳态值、极限值，根据计算结果划分出稳定区、过度区、不稳定区三个特征区域，判断车辆当前时刻所处的区域，并将此传递给ECU模块；

所述ECU模块根据安全边界计算模块传来的信号，协调控制主动转向模块、横摆力矩控制模块工作；

所述主动转向模块包括转向电机，通过控制前轮转角从而控制车辆稳定性；

所述横摆力矩控制模块包括两个后轮轮毂电机，通过控制两个后轮轮毂电机的制动力差值，产生附加横摆力矩，从而控制车辆的稳定性。

本发明还公开了一种该基于安全边界的车辆稳定性系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤1)，建立车辆进入稳定状态时的横摆角速度ω₁、质心侧偏角β₁表达式：

式中，v为车辆的速度；δ为前轮转角；a为车联质心距前轴的距离；b为车辆质心距后轴的距离；m为车辆的质量；L＝a+b；

k_r为后轮侧偏刚度；

步骤2)，建立车辆进入极限状态时的横摆角速度ω₂、质心侧偏角β₂表达式：

ω₂＝0.85μg/v

式中，μ为路面附着系数；g为重力加速度；

步骤3)，如图2所示，建立车辆安全边界；

选取车辆的横摆角速度ω作为横坐标、质心侧偏角β作为纵坐标，建立平面直角坐标系；

所述车辆安全边界将平面直角坐标系划分为稳定区、过度区、不稳定区；

所述稳定区的范围为-ω₁≤ω≤ω₁且-β₁≤β≤β₁；

所述过渡区的范围为ω₁＜∣ω∣≤ω₂且∣β∣≤β₂，或者-ω₁＜ω≤ω₁且β₁＜∣β∣≤β₂；

所述不稳定区的范围为∣ω∣>ω₂，或者∣β∣>β₂；

步骤4)，计算车辆状态点与安全边界的最小距离；

令所建立的平面直角坐标系上原点O的坐标为(0，0)，车辆的任意一个状态点P的坐标定义为(ω，β)，连接O点与P点分别与稳定区的左半区交于P₁点、右半区交于P₂点；连接O点与P点分别与过渡区的左半区交于P₃点、右半区交于P₄点；

则P点到稳定区、过渡区的最小距离分别表示为：

式中，S₁为P点到稳定区的最小距离，S₂为P点到过度区的最小距离；

步骤5)，根据以下公式计算关联函数：

式中，R为关联函数；

步骤6)，根据计算得到的关联函数R，判断车辆所处的区域；

当R≥1时，说明车辆处在稳定区，通过主动转向对车辆稳定性进行控制，ECU控制主动转向模块进行工作，横摆力矩控制模块不工作；

当R≤0时，说明车辆处在不稳定区，通过横摆力矩控制对车辆稳定性进行控制，ECU控制横摆力矩控制模块进行工作，主动转向模块不工作；

当0<R<1时，说明车辆处于过渡区，通过横摆力矩控制和主动转向联合对车辆稳定性进行控制，ECU控制横摆力矩控制模块和主动转向模块同时工作。

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)

1.一种基于安全边界的车辆稳定性系统的控制方法，基于安全边界的车辆稳定性系统包括传感器模块、路面附着系数估计模块、主动转向模块、横摆力矩控制模块、ECU控制模块、安全边界计算模块；

所述传感器模块包括横摆角速度传感器、质心侧偏角传感器、前轮转角传感器、轮速传感器；

所述横摆角速度传感器、质心侧偏角传感器设置在车辆的质心处，用于获取车辆的横摆角速度信号和车辆的质心侧偏角信号，并将其传递给安全边界计算模块；

所述前轮转角传感器设置在前轮内，用于获取前轮转角信号，并将其传递给安全边界计算模块；

所述轮速传感器设置在车轮内，用于获取车辆的速度，并将其传递给安全边界计算模块；

所述路面附着系数估计模块用于估计路面附着系数，并将估计结果传递给安全边界计算模块；

所述安全边界计算模块根据获取的横摆角速度信号、质心侧偏角信号、前轮转角信号、路面附着系数信号计算出当前车辆状态下横摆角速度和质心侧偏角的稳态值、极限值，根据计算结果划分出稳定区、过渡区、不稳定区三个特征区域，判断车辆当前时刻所处的区域，并将此传递给ECU模块；

所述ECU模块根据安全边界计算模块传来的信号，协调控制主动转向模块、横摆力矩控制模块工作；

所述主动转向模块包括转向电机，通过控制前轮转角从而控制车辆稳定性；

所述横摆力矩控制模块包括两个后轮轮毂电机，通过控制两个后轮轮毂电机的制动力差值，产生附加横摆力矩，从而控制车辆的稳定性；

其特征在于，所述基于安全边界的车辆稳定性系统的控制方法包括以下步骤：

步骤1)，建立车辆进入稳定状态时的横摆角速度ω₁、质心侧偏角β₁表达式：

式中，v为车辆的速度；δ为前轮转角；a为车联质心距前轴的距离；b为车辆质心距后轴的距离；m为车辆的质量；L＝a+b；

k_r为后轮侧偏刚度；

步骤2)，建立车辆进入极限状态时的横摆角速度ω₂、质心侧偏角β₂表达式：

ω₂＝0.85μg/v

式中，μ为路面附着系数；g为重力加速度；

步骤3)，建立车辆安全边界；

选取车辆的横摆角速度ω作为横坐标、质心侧偏角β作为纵坐标，建立平面直角坐标系；

所述车辆安全边界将平面直角坐标系划分为稳定区、过渡区、不稳定区；

所述稳定区的范围为-ω₁≤ω≤ω₁且-β₁≤β≤β₁；

所述过渡区的范围为ω₁＜∣ω∣≤ω₂且∣β∣≤β₂，或者-ω₁＜ω≤ω₁且β₁＜∣β∣≤β₂；

所述不稳定区的范围为∣ω∣>ω₂，或者∣β∣>β₂；

步骤4)，计算车辆状态点与安全边界的最小距离；

令所建立的平面直角坐标系上原点O的坐标为(0，0)，车辆的任意一个状态点P的坐标定义为(ω，β)，连接O点与P点分别与稳定区的左半区交于P₁点、右半区交于P₂点；连接O点与P点分别与过渡区的左半区交于P₃点、右半区交于P₄点；

则P点到稳定区、过渡区的最小距离分别表示为：

式中，S₁为P点到稳定区的最小距离，S₂为P点到过渡区的最小距离；

步骤5)，根据以下公式计算关联函数：

式中，R为关联函数；

步骤6)，根据计算得到的关联函数R，判断车辆所处的区域；

当R≥1时，说明车辆处在稳定区，通过主动转向对车辆稳定性进行控制，ECU控制主动转向模块进行工作，横摆力矩控制模块不工作；

当R≤0时，说明车辆处在不稳定区，通过横摆力矩控制对车辆稳定性进行控制，ECU控制横摆力矩控制模块进行工作，主动转向模块不工作；

当0<R<1时，说明车辆处于过渡区，通过横摆力矩控制和主动转向联合对车辆稳定性进行控制，ECU控制横摆力矩控制模块和主动转向模块同时工作。

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