CN111731268A - 一种考虑不同驾驶员特性的车辆防侧翻控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种考虑不同驾驶员特性的车辆防侧翻控制方法，包括：确定驾驶员防侧翻的临界安全监督区域；根据临界安全监督区域，建立六种决策控制模式，利用不同类型驾驶员的侧翻约束边界、车辆实际横向位移与驾驶员预瞄位移的误差以及车辆跟踪理想路径的误差进行模式选择；确定车辆动力学模型和驾驶员模型，建立模型预测控制器，设计协助驾驶员跟踪预期轨迹的主动转向控制器；计算侧翻临界状态下理想车速，计算期望的刹车力，对各车轮进行制动，以实现期望的车速和防止产生额外的横摆力矩，设计主动制动控制器。该方法不仅要防止不同类型驾驶员操纵的车辆在行驶过程中发生侧翻，还要保证车辆可以良好地跟踪预期路径。

Description

一种考虑不同驾驶员特性的车辆防侧翻控制方法

技术领域

本发明属于汽车安全技术领域，具体涉及一种考虑不同驾驶员特性的车辆防侧翻控制方法。

背景技术

随着汽车工业的飞速发展，汽车得到普及和广泛使用，与此同时，交通安全也已经成为了全球范围内的一大重要公共安全问题。在交通事故中，汽车侧翻的致死率极高，仅次于汽车直面碰撞，因此，汽车防侧翻控制是具有重要意义的。

目前，现有的防侧翻控制方法都以防止车辆翻车作为单一控制目标。但在汽车行驶过程中，控制系统通过影响汽车侧向加速度或者侧倾角，达到防侧翻的效果，极大可能干扰汽车的横向稳定性或者驾驶员的预期路径，从而导致汽车横向稳定性较差或者偏离原有路径。这在车流量较大，道路情况复杂，公路等级较低的工况下，就极容易产生二次碰撞或者其他伤亡事故。

在人—车—路闭环结构中，防侧翻研究并没有将驾驶员纳入其中。驾驶员作为主要的参与者和操纵者，在协调三者之间，起到了承上启下的至关作用。因此需从控制和认知角度考虑驾驶员的驾驶机理对侧翻影响，体现驾驶员在驾驶过程中的神经肌肉系统和车辆转向系统之间的动态交互。而协调辅助控制与驾驶员控制之间存在控制权博弈问题；因此，需要设计一种合适的考虑不同驾驶员特性的车辆防侧翻控制方法，在减轻驾驶员负担的同时，保证驾驶员和辅助控制系统不相互干涉，有效降低汽车侧翻风险。

发明内容

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种考虑不同驾驶员特性的车辆防侧翻控制方法，该方法不仅要防止不同类型驾驶员操纵的车辆在行驶过程中发生侧翻，还要保证车辆可以良好地跟踪预期路径。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的一种考虑不同驾驶员特性的车辆防侧翻控制方法，包括步骤如下：

1)根据检测的驾驶员输入信号、车身状态信号，建立转向约束边界；针对不同类型驾驶员驾驶风格设置不同的侧翻约束边界；并由上述两个约束边界确定驾驶员防侧翻的临界安全监督区域；

2)根据所述步骤1)的临界安全监督区域，建立六种决策控制模式，利用不同类型驾驶员的侧翻约束边界、车辆实际横向位移与驾驶员预瞄位移的误差以及车辆跟踪理想路径的误差进行模式选择；通过模式切换，改变多目标控制输出；

3)结合所述步骤2)的决策控制模式，确定车辆动力学模型和驾驶员模型，建立模型预测控制器，采用模型预测控制的方法，建立协助驾驶员跟踪预期轨迹的主动转向控制器；

4)结合所述步骤2)的决策控制模式，计算侧翻临界状态下理想车速，采用滑模变结构控制，计算期望的刹车力，对各车轮进行制动，以实现期望的车速和防止产生额外的横摆力矩，建立主动制动控制器；

5)结合上述建立的主动转向控制器和主动制动控制器，根据步骤(2)建立的决策控制模式，对驾驶员、主动转向控制器和主动制动控制器的控制权进行分配，实现多模式的防侧翻控制。

进一步地，所述步骤1)中的临界安全监督区域具体确定步骤如下：

11)设置转向约束边界

车辆在稳态情况下车速、车辆转弯半径和侧向加速度关系为：

式中，R为车辆转弯半径；v_x为车辆纵向速度；a_y为车辆侧向加速度；r为车辆横摆角速度；

车辆在行驶过程中所达到驾驶员要求，将受车辆本身运动学特性和操纵动力学特性约束，根据二自由度模型可得：

ma_y+k_fα_f+k_rα_r＝0 (2)

式中，m为车辆质量；k_f和k_r分别为前后轮的侧偏刚度；α_f和α_r分别为前后轮侧偏角；I_z为车辆绕z轴旋转的转动惯量；a为车辆质心至前轴距离；b为车辆质心距后轴的距离；

由侧偏角公式得到：

式中，δ_f为前轮转角；

车辆处于稳态状态下

车辆侧倾角

由公式(2)和(3)得到：

代入公式(4)，可得：

代入公式(1)，可得：

由公式(7)，转向约束边界由最大前轮转角、车速进行表示：

式中，n₁为道路曲率1；δ_MAX为前轮转角的最大值；

12)建立侧翻约束边界

由侧翻指标(PTLTR)得到防止侧翻的侧翻约束，不同的驾驶员其侧翻风险不同：

式中：

为侧倾角速度增益；LTR^*为改进侧翻指标；

式(9)中车辆侧向加速度a_y表示为：

代入公式(1)可得：

由公式(11)，侧翻约束边界由侧翻指标阈值、车速进行表示：

式中，n₂为道路曲率2；LTR_b为侧翻指标阈值，激进型驾驶员侧翻边界为LTR_b＝0.8，一般型驾驶员侧翻边界为为LTR_b＝0.9，谨慎型驾驶员侧翻边界为LTR_b＝1.0；

13)将上述转向约束边界和侧翻约束边界结合获得车速和道路曲率之间的关系，得到临界安全监督区域。

进一步地，所述步骤(2)中模式切换规则如下：

当实际道路曲率n<n₂，且n<n₁时，切换为模式1，此模式下设置车速v_x为0且ε₁＝0，ε₂＝1，ε₃＝0，其中，ε₁为主动转向控制器权重，ε₂为驾驶员控制权重，ε₃为主动制动控制器权重；

当n<n₂、n<n₁时，且车辆实际横向位移与驾驶员预瞄位移的误差小于车辆跟踪理想路径的误差时，切换为模式2，此模式下设置ε₁＝0.5，ε₂＝0.5，ε₃＝0；

当n<n₂、n<n₁时，且车辆实际横向位移与驾驶员预瞄位移的误差大于车辆跟踪理想路径的误差时，切换为模式3，此模式下设置ε₁＝0，ε₂＝1，ε₃＝0；

当实际道路曲率n>n₂，且n<n₁时，切换为模式4，此模式下设置ε₁＝1，ε₂＝0，ε₃＝1；当n>n₂、n<n₁时，且车辆实际横向位移与驾驶员预瞄位移的误差大于车辆跟踪理想路径的误差时，切换为模式5，此模式下设置ε₁＝0.5，ε₂＝0.5，ε₃＝0.5；

当n>n₂、n<n₁时，且车辆实际横向位移与驾驶员预瞄位移的误差小于车辆跟踪理想路径的误差时，切换为模式2，此模式下设置ε₁＝0，ε₂＝1，ε₃＝0.5。

进一步地，所述步骤3)中的主动转向控制器的具体设立步骤如下：

31)建立车辆动力学模型；

考虑车辆的横向和横摆运动，假设车辆的纵向速度恒定，则车辆动力学模型的运动方程为：

式中，v_y为车辆侧向速度；Y为车辆侧向位移；F_yf，F_yr分别是轮胎前、后侧向力，用如下公式进行表示：

式中，α_f，α_r分别是轮胎前、后侧偏角，用如下公式进行表示：

假设前后轮转向角很小，车辆航向角很小，将上式(13)改写为：

式中：

δ_r为后轮转角；

32)建立驾驶员模型；

忽略侧倾权重函数的驾驶员模型为：

式中，G_h是转向增益；δ_sw为方向盘转角；

T_d＝τ_d1+τ_d2为延迟时间；d₄是模型近似误差；τ_d2代表驾驶员神经延迟；τ_d1为纯延迟常数；Y_d为期望侧向位移；Y为实际侧向位移；T_p为驾驶员预瞄时间；

假设方向盘到前轮转角的传动比为R_g，则驾驶员对前轮转角的控制δ_fd＝R_gδ_sw，则式(17)用如下微分方程表示：

33)设计基于模型预测控制的主动转向控制器；

在主动转向控制器设计中，车辆在全局坐标下状态方程为：

式中：x＝[x₁,x₂,x₃,x₄,x₅,x₆]^T；x₁＝v_y；

x₄＝Y；x₅＝δ_fd；

u＝δ_fc；w＝Y_d；δ_fc是控制器计算出附加前轮转角，则前轮转角δ_f＝δ_fc+δ_fd；

d＝[d₁ d₂ 0 d₃ 0 d₄]^T

对式(19)进行线性化处理，得到线性时变方程：

采用一阶差商的方法对式(20)进行离散化处理，得到离散的状态空间表达式：

x(k+1)＝A_dyn(k)x(k)+B_dyn(k)u(k) (21)

式中：A_dyn(k)＝I+TA_dyn(t),B_dyn(k)＝TB_dyn(t)，x(k)是k时刻的状态量，x(k+1)是k+1时刻状态量，I为A矩阵阶数相同的单位矩阵，T为离散化时间。

模型预测控制的目标函数如下：

式中：N_p和N_c分别为预测时域和控制时域，η_dyn,ref(t+i|t)i＝1,…,H_p是参考输出量，Q和R为权重矩阵，p为松弛因子权重系数，ε为松弛因子；

其中，

反应了控制系统对参考轨迹的快速跟踪能力；

反应了控制系统对控制量平稳变化的要求；然而由于该系统是实时变化的，在控制周期内不能保证每个时刻满足约束条件的优化目标函数都能求得最优解；因此在优化目标函数中加入松弛因子，保证在控制周期内无最优解的情况下，系统以求得的次优解代替最优解，防止出现无可行解的情况发生。

综合上面的目标函数和约束条件，基于动力学模型的主动转向控制器，在每个控制周期要解决如下的优化问题：

式中：y_hc为硬约束输出，y_sc为软约束输出，y_hc,min和y_hc,max分别为硬约束极限小值、限大值；y_sc,min和y_sc,max分别为软约束极限小值、限大值。

当触发信号打开，计算下一周期的最优控制量，重复上述过程，如此循环即实现对车辆的轨迹跟踪。

进一步地，所述步骤4)中的主动制动控制器的具体设立步骤如下：

41)计算侧翻临界状态下理想车速；

参考模型接收系统量测输出PTLTR信号，当PTLTR达到阈值时，参考模型触发；计算出侧翻临界状态下理想车速：

式中，m_s为车辆簧上质量；m_d为车辆簧下质量；h_d为车辆离地间隙；

为侧倾刚度；

为侧倾阻尼；T为车辆两侧轮距；a_ys为簧上质量侧向加速度；h为簧上质量质心离地高度；e为簧上质量质心到侧倾中心距离；

为侧倾半径；g为重力加速度；

理想车速由刹车力ΔF_x获取，x轴上动力学公式如下所示：

式中，F_xf，F_xr分别是轮胎前、后纵向力；

由于前轮转角很小，式(27)改写为速度的导数形式，如下所示：

42)计算侧翻临界状态下的期望刹车力ΔF_x,eq；

采用滑模控制方法，曲面定义为：

s＝v_x-v_x,des (29)

式中，v_x,des为理想纵向车速；

选择如下控制规律来实现使控制目标s为零：

式中，w是一个正数；

s的导数为：

将式(28)代入式(31)中：

从公式(32)中可得，为了使得

控制规律如下：

ΔF_x＝ΔF_x,eq-K sgn(s) (34)

式中，K为待定参数；sgn(s)为符号函数；

将式(32)代入式(30)中，则滑模规律表达式写为：

将式(34)代入式(35)可确定式中K的值：

K≤-w·m (36)

为了消除由于控制输入的高频分量而导致的高频抖振，用饱和函数，即sat(s)代替理想滑模动态中的函数sgn(s)，最终期望的刹车力如下所示：

ΔF_x＝ΔF_x,eq-K·sat(s)

43)分配轮胎力；

防止产生偏航力矩，偏离期望路径，令偏航力矩M_z＝0，通过上述所求的刹车力实现四个轮胎的制动力分布，满足车辆在跟踪驾驶员给定路径的同时防侧翻，各轮胎力之间的关系由如下运动学公式确定：

式中，ΔF_x,left和ΔF_x,right分别为左右车轮所需制动力；

左右两侧制动力的方程写为：

将式(38)代入式(39)得到左右两侧制动力；

已知路面的摩擦系数为μ，轮胎在x轴，y轴，z轴的力均被估计，则前后轮最大制动力为：

式中，F_zf和F_zr分别为前后轮垂向力；ΔF_xf,max和ΔF_xr,max分别为前后轮的最大制动力；

则前后轮胎制动力分配如下所示：

式中，ΔF_xr,left为左后轮制动力；ΔF_xr,right为右后轮制动力；ΔF_xf,left为左前轮制动力；ΔF_xf,right为右前轮制动力；ΔF_xr,left,max为左后轮制动力的最大值；ΔF_xr,right,max为右后轮制动力的最大值；ΔF_xf,left,max为左前轮制动力的最大值；ΔF_xf,right,max为右前轮制动力的最大值；

44)设计制动器逆模型及滑移率控制器；

对于求解的目标轮胎力，在x轴上相对应两种滑移率，用于搜索的目标滑移率区域小于最佳滑移率λo_pt，则相对应轮胎轮缸压力P_xij为：

s＝λ-λ_tar (43)

式中：λ为轮胎滑移率；λ_tar为目标轮胎滑移率；s是滑模滑移面；A_p是活塞面积；R_b是制动盘转子中心和极板之间的有效半径；

是预估的制动盘与极板之间的摩擦系数；

为轮缸推力；J_w是车轮的转动惯量；r_w是轮胎半径；B₁、B₂和B₃表示不确定性的界值，B₁＝0.6，B₂＝1500，B₃＝0.35；η为设计参数且是一个严格正数；Φ表示边界层的设计参数。

本发明的有益效果：

本发明的方法针对不同类型驾驶员设置不同的侧翻约束边界，并将其结合根据驾驶员输入和路径误差制定了六种控制决策模式。针对不同类型的驾驶员，一方面能够通过主动转向系统约束前轮转角降低横摆角速度和侧翻风险，另一方面也能够通过制动系统合理分配四个轮胎制动力，能够在有效防止侧翻的同时，减少路径跟踪误差，有较好的路径跟踪性能。

附图说明

图1为本发明的车辆防侧翻控制方法流程图

图2为本发明的汽车防侧翻控制总体框图。

图3为本发明的临界安全监督区域图。

图4为本发明的决策控制模式选择框图。

图5为本发明的主动转向控制策略流程图。

图6为本发明的主动制动控制策略流程图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

参照图6所示，本发明的一种考虑不同驾驶员特性的车辆防侧翻控制方法，包括步骤如下：

1)根据检测的驾驶员输入信号、车身状态信号，建立转向约束边界；针对不同类型驾驶员驾驶风格设置不同的侧翻约束边界；并由上述两个约束边界即确定图1所示的驾驶员防侧翻的临界安全监督区域；

临界安全监督区域具体确定步骤如下：

11)设置转向约束边界

车辆在稳态情况下车速、车辆转弯半径和侧向加速度关系为：

式中，R为车辆转弯半径；v_x为车辆纵向速度；a_y为车辆侧向加速度；r为车辆横摆角速度；

车辆在行驶过程中所达到驾驶员要求，将受车辆本身运动学特性和操纵动力学特性约束，根据二自由度模型可得：

ma_y+k_fα_f+k_rα_r＝0 (2)

式中，m为车辆质量；k_f和k_r分别为前后轮的侧偏刚度；α_f和α_r分别为前后轮侧偏角；I_z为车辆绕z轴旋转的转动惯量；a为车辆质心至前轴距离；b为车辆质心距后轴的距离；

由侧偏角公式得到：

式中，δ_f为前轮转角；

车辆处于稳态状态下

车辆侧倾角

由公式(2)和(3)得到：

代入公式(4)，可得：

代入公式(1)，可得：

由公式(7)，转向约束边界由最大前轮转角、车速进行表示：

式中，n₁为道路曲率1；δ_MAX为前轮转角的最大值；

12)建立侧翻约束边界

由侧翻指标(PTLTR)得到防止侧翻的侧翻约束，不同的驾驶员其侧翻风险不同：

式中：

为侧倾角速度增益；LTR^*为改进侧翻指标；

式(9)中车辆侧向加速度a_y表示为：

代入公式(1)可得：

由公式(11)，侧翻约束边界由侧翻指标阈值、车速进行表示：

式中，n₂为道路曲率2；LTR_b为侧翻指标阈值；

13)将上述转向约束边界和侧翻约束边界结合获得车速和道路曲率之间的关系，得到临界安全监督区域。

2)如图2所示，根据所述步骤1)的临界安全监督区域，建立六种决策控制模式，利用不同类型驾驶员的侧翻约束边界、车辆实际横向位移与驾驶员预瞄位移的误差以及车辆跟踪理想路径的误差进行模式选择；通过模式切换，改变多目标控制输出；

模式切换规则如下：

当实际道路曲率n<n₂，且n<n₁时，切换为模式1，此模式下设置车速v_x为0且ε₁＝0，ε₂＝1，ε₃＝0，其中，ε₁为主动转向控制器权重，ε₂为驾驶员控制权重，ε₃为主动制动控制器权重；

当n<n₂、n<n₁时，且车辆实际横向位移与驾驶员预瞄位移的误差小于车辆跟踪理想路径的误差时，切换为模式2，此模式下设置ε₁＝0.5，ε₂＝0.5，ε₃＝0；

当n<n₂、n<n₁时，且车辆实际横向位移与驾驶员预瞄位移的误差大于车辆跟踪理想路径的误差时，切换为模式3，此模式下设置ε₁＝0，ε₂＝1，ε₃＝0；

当实际道路曲率n>n₂，且n<n₁时，切换为模式4，此模式下设置ε₁＝1，ε₂＝0，ε₃＝1；当n>n₂、n<n₁时，且车辆实际横向位移与驾驶员预瞄位移的误差大于车辆跟踪理想路径的误差时，切换为模式5，此模式下设置ε₁＝0.5，ε₂＝0.5，ε₃＝0.5；

当n>n₂、n<n₁时，且车辆实际横向位移与驾驶员预瞄位移的误差小于车辆跟踪理想路径的误差时，切换为模式2，此模式下设置ε₁＝0，ε₂＝1，ε₃＝0.5。

3)结合所述步骤2)的决策控制模式，确定车辆动力学模型和驾驶员模型，建立模型预测控制器，采用模型预测控制的方法，设计协助驾驶员跟踪预期轨迹的主动转向控制器；如图3所示；

主动转向控制器的具体设立步骤如下：

31)建立车辆动力学模型；

考虑车辆的横向和横摆运动，假设车辆的纵向速度恒定，则车辆动力学模型的运动方程为：

式中，v_y为车辆侧向速度；Y为车辆侧向位移；F_yf，F_yr分别是轮胎前、后侧向力，用如下公式进行表示：

式中，α_f，α_r分别是轮胎前、后侧偏角，用如下公式进行表示：

假设前后轮转向角很小，车辆航向角很小，将上式(13)改写为：

式中：

δ_r为后轮转角；

32)建立驾驶员模型；

忽略侧倾权重函数的驾驶员模型为：

式中，G_h是转向增益；δ_sw为方向盘转角；

T_d＝τ_d1+τ_d2为延迟时间；d₄是模型近似误差；τ_d2代表驾驶员神经延迟；τ_d1为纯延迟常数；Y_d为期望侧向位移；Y为实际侧向位移；T_p为驾驶员预瞄时间；

假设方向盘到前轮转角的传动比为R_g，则驾驶员对前轮转角的控制δ_fd＝R_gδ_sw，则式(17)用如下微分方程表示：

33)设计基于模型预测控制的主动转向控制器；

在主动转向控制器设计中，车辆在全局坐标下状态方程为：

式中：x＝[x₁,x₂,x₃,x₄,x₅,x₆]^T；x₁＝v_y；

x₄＝Y；x₅＝δ_fd；

u＝δ_fc；w＝Y_d；δ_fc是控制器计算出附加前轮转角，则前轮转角δ_f＝δ_fc+δ_fd；

d＝[d₁ d₂ 0 d₃ 0 d₄]^T

对式(19)进行线性化处理，得到线性时变方程：

采用一阶差商的方法对式(20)进行离散化处理，得到离散的状态空间表达式：

x(k+1)＝A_dyn(k)x(k)+B_dyn(k)u(k) (21)

式中：A_dyn(k)＝I+TA_dyn(t),B_dyn(k)＝TB_dyn(t)，x(k)是k时刻的状态量，x(k+1)是k+1时刻状态量，I为A矩阵阶数相同的单位矩阵，T为离散化时间。

模型预测控制的目标函数如下：

式中：N_p和N_c分别为预测时域和控制时域，η_dyn,ref(t+i|t)i＝1,…,H_p是参考输出量，Q和R为权重矩阵，p为松弛因子权重系数，ε为松弛因子；

其中，

反应了控制系统对参考轨迹的快速跟踪能力；

反应了控制系统对控制量平稳变化的要求；然而由于该系统是实时变化的，在控制周期内不能保证每个时刻满足约束条件的优化目标函数都能求得最优解；因此在优化目标函数中加入松弛因子，保证在控制周期内无最优解的情况下，系统以求得的次优解代替最优解，防止出现无可行解的情况发生。

综合上面的目标函数和约束条件，基于动力学模型的主动转向控制器，在每个控制周期要解决如下的优化问题：

式中：y_hc为硬约束输出，y_sc为软约束输出，y_hc,min和y_hc,max分别为硬约束极限小值、限大值；y_sc,min和y_sc,max分别为软约束极限小值、限大值。

当触发信号打开，计算下一周期的最优控制量，重复上述过程，如此循环即实现对车辆的轨迹跟踪。

主动转向控制通过约束前轮转角降低侧翻风险，但当车辆有较大侧翻风险时，单纯提供附加前轮转角并不足以在跟踪路径的同时有效降低侧翻风险，此时需要通过主动制动降低车速，联合主动转向控制实现跟踪路径的同时防止发生侧翻事故。当汽车处于紧急侧翻状态时，通过合理分配轮胎力即可降低车速，也可以使得横摆力矩为0，在防侧翻的同时减小路径跟踪误差。其防侧翻控制策略框图如图4所示。

4)结合所述步骤2)的决策控制模式，计算侧翻临界状态下理想车速，采用滑模变结构控制，计算期望的刹车力，对各车轮进行制动，以实现期望的车速和防止产生额外的横摆力矩，设计主动制动控制器；如图5所示。

主动制动控制器的具体设立步骤如下：

41)计算侧翻临界状态下理想车速；

参考模型接收系统量测输出PTLTR信号，当PTLTR达到阈值时，参考模型触发；计算出侧翻临界状态下理想车速：

式中，m_s为车辆簧上质量；m_d为车辆簧下质量；h_d为车辆离地间隙；

为侧倾刚度；

为侧倾阻尼；T为车辆两侧轮距；a_ys为簧上质量侧向加速度；h为簧上质量质心离地高度；e为簧上质量质心到侧倾中心距离；

为侧倾半径；g为重力加速度；

理想车速由刹车力ΔF_x获取，x轴上动力学公式如下所示：

式中，F_xf，F_xr分别是轮胎前、后纵向力；

由于前轮转角很小，式(27)改写为速度的导数形式，如下所示：

42)计算侧翻临界状态下的期望刹车力ΔF_x,eq；

采用滑模控制方法，曲面定义为：

s＝v_x-v_x,des (29)

式中，v_x,des为理想纵向车速；

选择如下控制规律来实现使控制目标s为零：

式中，w是一个正数；

s的导数为：

将式(28)代入式(31)中：

从公式(32)中可得，为了使得

控制规律如下：

ΔF_x＝ΔF_x,eq-K sgn(s) (34)

式中，K为待定参数；sgn(s)为符号函数；

将式(32)代入式(30)中，则滑模规律表达式写为：

将式(34)代入式(35)可确定式中K的值：

K≤-w·m (36)

为了消除由于控制输入的高频分量而导致的高频抖振，用饱和函数，即sat(s)代替理想滑模动态中的函数sgn(s)，最终期望的刹车力如下所示：

ΔF_x＝ΔF_x,eq-K·sat(s)

43)分配轮胎力；

防止产生偏航力矩，偏离期望路径，令偏航力矩M_z＝0，通过上述所求的刹车力实现四个轮胎的制动力分布，满足车辆在跟踪驾驶员给定路径的同时防侧翻，各轮胎力之间的关系由如下运动学公式确定：

式中，ΔF_x,left和ΔF_x,right分别为左右车轮所需制动力；

左右两侧制动力的方程写为：

将式(38)代入式(39)得到左右两侧制动力；

已知路面的摩擦系数为μ，轮胎在x轴，y轴，z轴的力均被估计，则前后轮最大制动力为：

式中，F_zf和F_zr分别为前后轮垂向力；ΔF_xf,max和ΔF_xr,max分别为前后轮的最大制动力；

则前后轮胎制动力分配如下所示：

式中，ΔF_xr,left为左后轮制动力；ΔF_xr,right为右后轮制动力；ΔF_xf,left为左前轮制动力；ΔF_xf,right为右前轮制动力；ΔF_xr,left,max为左后轮制动力的最大值；ΔF_xr,right,max为右后轮制动力的最大值；ΔF_xf,left,max为左前轮制动力的最大值；ΔF_xf,right,max为右前轮制动力的最大值；

44)设计制动器逆模型及滑移率控制器；

对于求解的目标轮胎力，在x轴上相对应两种滑移率，用于搜索的目标滑移率区域小于最佳滑移率λ_opt，则相对应轮胎轮缸压力P_xij为：

s＝λ-λ_tar (43)

式中：λ为轮胎滑移率；λ_tar为目标轮胎滑移率；s是滑模滑移面；A_p是活塞面积；R_b是制动盘转子中心和极板之间的有效半径；

是预估的制动盘与极板之间的摩擦系数；

为轮缸推力；J_w是车轮的转动惯量；r_w是轮胎半径；B₁、B₂和B₃表示不确定性的界值，B₁＝0.6，B₂＝1500，B₃＝0.35；η为设计参数且是一个严格正数；Φ表示边界层的设计参数。

5)结合上述建立的主动转向控制器和主动制动控制器，根据步骤(2)建立的决策控制模式，对驾驶员、主动转向控制器和主动制动控制器的控制权进行分配，实现多模式的防侧翻控制。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种考虑不同驾驶员特性的车辆防侧翻控制方法，其特征在于，包括步骤如下：

1)根据检测的驾驶员输入信号、车身状态信号，建立转向约束边界；针对不同类型驾驶员驾驶风格设置不同的侧翻约束边界；并由上述两个约束边界确定驾驶员防侧翻的临界安全监督区域；

2)根据所述步骤1)的临界安全监督区域，建立六种决策控制模式，利用不同类型驾驶员的侧翻约束边界、车辆实际横向位移与驾驶员预瞄位移的误差以及车辆跟踪理想路径的误差进行模式选择；通过模式切换，改变多目标控制输出；

3)结合所述步骤2)的决策控制模式，确定车辆动力学模型和驾驶员模型，建立模型预测控制器，采用模型预测控制的方法，建立协助驾驶员跟踪预期轨迹的主动转向控制器；

4)结合所述步骤2)的决策控制模式，计算侧翻临界状态下理想车速，采用滑模变结构控制，计算期望的刹车力，对各车轮进行制动，以实现期望的车速和防止产生额外的横摆力矩，建立主动制动控制器；

5)结合上述建立的主动转向控制器和主动制动控制器，根据步骤(2)建立的决策控制模式，对驾驶员、主动转向控制器和主动制动控制器的控制权进行分配，实现多模式的防侧翻控制。

2.根据权利要求1所述的考虑不同驾驶员特性的车辆防侧翻控制方法，其特征在于，所述步骤1)中的临界安全监督区域具体确定步骤如下：

11)设置转向约束边界

车辆在稳态情况下车速、车辆转弯半径和侧向加速度关系为：

式中，R为车辆转弯半径；v_x为车辆纵向速度；a_y为车辆侧向加速度；r为车辆横摆角速度；

车辆在行驶过程中所达到驾驶员要求，将受车辆本身运动学特性和操纵动力学特性约束，根据二自由度模型可得：

ma_y+k_fα_f+k_rα_r＝0 (2)

式中，m为车辆质量；k_f和k_r分别为前后轮的侧偏刚度；α_f和α_r分别为前后轮侧偏角；I_z为车辆绕z轴旋转的转动惯量；a为车辆质心至前轴距离；b为车辆质心距后轴的距离；

由侧偏角公式得到：

式中，δ_f为前轮转角；

车辆处于稳态状态下

车辆侧倾角

由公式(2)和(3)得到：

代入公式(4)，可得：

代入公式(1)，可得：

由公式(7)，转向约束边界由最大前轮转角、车速进行表示：

式中，n₁为道路曲率1；δ_MAX为前轮转角的最大值；

12)建立侧翻约束边界

由侧翻指标得到防止侧翻的侧翻约束，不同的驾驶员其侧翻风险不同：

式中：

为侧倾角速度增益；LTR^*为改进侧翻指标；

式(9)中车辆侧向加速度a_y表示为：

代入公式(1)可得：

由公式(11)，侧翻约束边界由侧翻指标阈值、车速进行表示：

式中，n₂为道路曲率2；LTR_b为侧翻指标阈值；

13)将上述转向约束边界和侧翻约束边界结合获得车速和道路曲率之间的关系，得到临界安全监督区域。

3.根据权利要求2所述的考虑不同驾驶员特性的车辆防侧翻控制方法，其特征在于，所述步骤(2)中模式切换规则如下：

当实际道路曲率n<n₂，且n<n₁时，切换为模式1，此模式下设置车速v_x为0且ε₁＝0，ε₂＝1，ε₃＝0，其中，ε₁为主动转向控制器权重，ε₂为驾驶员控制权重，ε₃为主动制动控制器权重；

当n<n₂、n<n₁时，且车辆实际横向位移与驾驶员预瞄位移的误差小于车辆跟踪理想路径的误差时，切换为模式2，此模式下设置ε₁＝0.5，ε₂＝0.5，ε₃＝0；

当n<n₂、n<n₁时，且车辆实际横向位移与驾驶员预瞄位移的误差大于车辆跟踪理想路径的误差时，切换为模式3，此模式下设置ε₁＝0，ε₂＝1，ε₃＝0；

当实际道路曲率n>n₂，且n<n₁时，切换为模式4，此模式下设置ε₁＝1，ε₂＝0，ε₃＝1；当n>n₂、n<n₁时，且车辆实际横向位移与驾驶员预瞄位移的误差大于车辆跟踪理想路径的误差时，切换为模式5，此模式下设置ε₁＝0.5，ε₂＝0.5，ε₃＝0.5；

当n>n₂、n<n₁时，且车辆实际横向位移与驾驶员预瞄位移的误差小于车辆跟踪理想路径的误差时，切换为模式2，此模式下设置ε₁＝0，ε₂＝1，ε₃＝0.5。

4.根据权利要求1所述的考虑不同驾驶员特性的车辆防侧翻控制方法，其特征在于，所述步骤3)中的主动转向控制器的具体设立步骤如下：

31)建立车辆动力学模型；

考虑车辆的横向和横摆运动，假设车辆的纵向速度恒定，则车辆动力学模型的运动方程为：

式中，v_y为车辆侧向速度；Y为车辆侧向位移；F_yf，F_yr分别是轮胎前、后侧向力，用如下公式进行表示：

式中，α_f，α_r分别是轮胎前、后侧偏角，用如下公式进行表示：

假设前后轮转向角很小，车辆航向角很小，将上式(13)改写为：

式中：

δ_r为后轮转角；

32)建立驾驶员模型；

忽略侧倾权重函数的驾驶员模型为：

式中，G_h是转向增益；δ_sw为方向盘转角；

T_d＝τ_d1+τ_d2为延迟时间；d₄是模型近似误差；τ_d2代表驾驶员神经延迟；τ_d1为纯延迟常数；Y_d为期望侧向位移；Y为实际侧向位移；T_p为驾驶员预瞄时间；

假设方向盘到前轮转角的传动比为R_g，则驾驶员对前轮转角的控制δ_fd＝R_gδ_sw，则式(17)用如下微分方程表示：

33)设计基于模型预测控制的主动转向控制器；

在主动转向控制器设计中，车辆在全局坐标下状态方程为：

式中：x＝[x₁,x₂,x₃,x₄,x₅,x6]^T；x₁＝v_y；

x₄＝Y；x₅＝δ_fd；

u＝δ_fc；w＝Y_d；δ_fc是控制器计算出附加前轮转角，则前轮转角δ_f＝δ_fc+δ_fd；

d＝[d₁ d₂ 0 d₃ 0 d₄]^T

对式(19)进行线性化处理，得到线性时变方程：

采用一阶差商的方法对式(20)进行离散化处理，得到离散的状态空间表达式：

x(k+1)＝A_dyn(k)x(k)+B_dyn(k)u(k) (21)

式中：A_dyn(k)＝I+TA_dyn(t),B_dyn(k)＝TB_dyn(t)，x(k)是k时刻的状态量，x(k+1)是k+1时刻状态量，I为A矩阵阶数相同的单位矩阵，T为离散化时间。

5.根据权利要求1所述的考虑不同驾驶员特性的车辆防侧翻控制方法，其特征在于，所述步骤4)中的主动制动控制器的具体设立步骤如下：

41)计算侧翻临界状态下理想车速；

参考模型接收系统量测输出PTLTR信号，当PTLTR达到阈值时，参考模型触发；计算出侧翻临界状态下理想车速：

式中，m_s为车辆簧上质量；m_d为车辆簧下质量；h_d为车辆离地间隙；

为侧倾刚度；

为侧倾阻尼；T为车辆两侧轮距；a_ys为簧上质量侧向加速度；h为簧上质量质心离地高度；e为簧上质量质心到侧倾中心距离；

为侧倾半径；g为重力加速度；

理想车速由刹车力ΔF_x获取，x轴上动力学公式如下所示：

式中，F_xf，F_xr分别是轮胎前、后纵向力；

由于前轮转角很小，式(27)改写为速度的导数形式，如下所示：

42)计算侧翻临界状态下的期望刹车力ΔF_x,eq；

采用滑模控制方法，曲面定义为：

s＝v_x-v_x,des (29)

式中，v_x,des为理想纵向车速；

选择如下控制规律来实现使控制目标s为零：

式中，w是一个正数；

s的导数为：

将式(28)代入式(31)中：

从公式(32)中可得，为了使得

控制规律如下：

ΔF_x＝ΔF_x,eq-Ksgn(s) (34)

式中，K为待定参数；sgn(s)为符号函数；

将式(32)代入式(30)中，则滑模规律表达式写为：

将式(34)代入式(35)可确定式中K的值：

K≤-w·m (36)

为了消除由于控制输入的高频分量而导致的高频抖振，用饱和函数，即sat(s)代替理想滑模动态中的函数sgn(s)，最终期望的刹车力如下所示：

ΔF_x＝ΔF_x,eq-K·sat(s)

43)分配轮胎力；

防止产生偏航力矩，偏离期望路径，令偏航力矩M_z＝0，通过上述所求的刹车力实现四个轮胎的制动力分布，满足车辆在跟踪驾驶员给定路径的同时防侧翻，各轮胎力之间的关系由如下运动学公式确定：

式中，ΔF_x,left和ΔF_x,right分别为左右车轮所需制动力；

左右两侧制动力的方程写为：

将式(38)代入式(39)得到左右两侧制动力；

已知路面的摩擦系数为μ，轮胎在x轴，y轴，z轴的力均被估计，则前后轮最大制动力为：

式中，F_zf和F_zr分别为前后轮垂向力；ΔF_xf,max和ΔF_xr,max分别为前后轮的最大制动力；

则前后轮胎制动力分配如下所示：

式中，ΔF_xr,left为左后轮制动力；ΔF_xr,right为右后轮制动力；ΔF_xf,left为左前轮制动力；ΔF_xf,right为右前轮制动力；ΔF_xr,left,max为左后轮制动力的最大值；ΔF_xr,right,max为右后轮制动力的最大值；ΔF_xf,left,max为左前轮制动力的最大值；ΔF_xf,right,max为右前轮制动力的最大值；

44)设计制动器逆模型及滑移率控制器；

对于求解的目标轮胎力，在x轴上相对应两种滑移率，用于搜索的目标滑移率区域小于最佳滑移率λ_opt，则相对应轮胎轮缸压力P_xij为：

s＝λ-λ_tar (43)

式中：λ为轮胎滑移率；λ_tar为目标轮胎滑移率；s是滑模滑移面；A_p是活塞面积；R_b是制动盘转子中心和极板之间的有效半径；

是预估的制动盘与极板之间的摩擦系数；

为轮缸推力；J_w是车轮的转动惯量；r_w是轮胎半径；B₁、B₂和B₃表示不确定性的界值，B₁＝0.6，B₂＝1500，B₃＝0.35；η为设计参数且是一个严格正数；Φ表示边界层的设计参数。

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