CN112918464A - 车辆稳态转向控制方法和装置 - Google Patents

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CN112918464A CN202110320777.6A CN202110320777A CN112918464A CN 112918464 A CN112918464 A CN 112918464A CN 202110320777 A CN202110320777 A CN 202110320777A CN 112918464 A CN112918464 A CN 112918464A
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Abstract

本申请提供一种车辆稳态转向控制方法和装置，方法包括：获取前轮侧偏刚度、后轮侧偏刚度、前轴承重和后轴承重；根据所述前轮侧偏刚度、所述后轮侧偏刚度、所述前轴承重、所述后轴承重、车辆的转弯半径、车辆轴距、当前车速和当前转向角判断车辆是否处在稳态转向状态；在车辆没有处在稳态转向状态的情况下，计算使得车辆处在稳态转向状态并且损失函数最小的调整车速和调整转向角；根据所述调整车速和调整转向角控制所述车辆。采用本申请的方法，基于实际模型，其计算量较小，能够实现车辆控制参量快速的确定，进而利于车辆快速地进入稳态转向。

Description

车辆稳态转向控制方法和装置
技术领域
本申请涉及车辆控制技术领域，具体涉及一种车辆稳态转向控制方法和装置。
背景技术
自动驾驶模式下车辆过弯时，需要保证稳态地转向，即车辆需要按照路径规划的转弯半径行驶，处在预先确定的转弯路径上，而不会出现转向过度或者转向不足的问题。
目前，车辆自动驾驶而实现稳态转向的控制方法是采用状态反馈的方法设计；采用此方法需要实时监控车辆状态并实现反馈控制。但是，采用状态反馈的方法需要大量数据运算。
发明内容
为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本申请提供了车辆稳态转向控制方法和装置。
一方面，本申请提供一种车辆稳态转向控制方法，包括：
获取前轮侧偏刚度、后轮侧偏刚度、前轴承重和后轴承重；
根据所述前轮侧偏刚度、所述后轮侧偏刚度、所述前轴承重、所述后轴承重、车辆的转弯半径、车辆轴距、当前车速和当前转向角判断车辆是否处在稳态转向状态；
在车辆没有处在稳态转向状态的情况下，计算使得车辆处在稳态转向状态并且损失函数最小的调整车速和调整转向角；
根据所述调整车速和所述调整转向角控制所述车辆。
可选地，获取前轮侧偏刚度和后轮侧偏刚度，包括：
获取车轮胎压、道路附着系数和车轮半径；
根据所述车轮胎压、所述道路附着系数和所述车轮半径计算所述前轮侧偏刚度和所述后轮侧偏刚度。
可选地，所述道路附着系数根据车辆轮速变化频率和/或车辆横摆角变化频率估算得到。
可选地，所述获取车辆的前轴承重和后轴承重，包括：
获取车辆座椅和/或货箱中压力传感器生成的压力数据；
根据所述压力数据和车辆的结构数据确定所述前轴承重和所述后轴承重。
可选地，所述获取车辆的前轴承重和后轴承重，包括：
获取所述车辆负载；
根据所述车辆负载和所述车辆的结构数据确定所述前轴承重和所述后轴承重。
可选地，根据所述前轮侧偏刚度、所述后轮侧偏刚度、所述前轴承重、所述后轴承重、车辆的转弯半径、车辆轴距、当前车速和当前转向角判断车辆是否处在稳态转向状态，包括：
根据所述前轴承重、所述后轴承重、所述前轮侧偏刚度、所述后轮侧偏刚度、所述车辆轴距、所述转弯半径和所述车速计算第一转向角；
判断所述第一转向角是否与所述当前转向角相同；
在所述第一转向角与当前转向角不同的情况下，判断车辆没有处在稳态转向状态。
可选地，计算使得车辆处在稳态转向状态并且损失函数最小的调整车速和调整转向角，包括：
确定使得所述车辆处在稳态转向状态的可选调整范围；所述可选调整范围包括所述调整车速和所述调整转向角的组合；
在所述可选调整范围内选定使得所述损失函数最小的所述调整车速和所述调整转向角。
另一方面，本申请提供一种车辆稳态转向控制装置，包括：
参数获取单元，用于获取前轮侧偏刚度、后轮侧偏刚度、前轴承重和后轴承重；
状态判断单元，用于根据所述前轮侧偏刚度、所述后轮侧偏刚度、所述前轴承重、所述后轴承重、车辆的转弯半径、车辆轴距、当前车速和当前转向角判断车辆是否处在稳态转向状态；
计算单元，用于在车辆没有处在稳态转向状态的情况下，计算使得车辆处在稳态转向状态并且损失函数最小的调整车速和调整转向角；
调整单元，用于根据所述调整车速和所述调整转向角控制所述车辆。
可选地，所述参数获取单元包括：
参数获取子单元，用于获取车轮胎压、道路附着系数和车轮半径；
侧偏刚度计算子单元，用于根据所述车轮胎压、所述道路附着系数和所述车轮半径计算所述前轮侧偏刚度和所述后轮侧偏刚度。
可选地，参数获取单元包括：
压力数据获取子单元，用于获取车辆座椅和/或货箱中压力传感器生成的压力数据；
承重计算子单元，用于根据所述压力数据和车辆的结构数据确定所述前轴承重和所述后轴承重。
可选地，参数获取单元包括：
负载获取子单元，用于获取所述车辆负载；
承重计算子单元，用于根据所述车辆负载和所述车辆的结构数据确定所述前轴承重和所述后轴承重。
可选地，所述状态判断单元，包括：
第一转向角计算子单元，
用于根据所述前轮侧偏刚度、所述后轮侧偏刚度、所述前轴承重、所述后轴承重、所述车辆轴距、所述转弯半径和所述车速计算第一转向角；
判断子单元，用于判断所述第一转向角是否与所述当前转向角相同；
转向状态判断子单元，用于在所述第一转向角与当前转向角不同的情况下，判断车辆没有处在稳态转向状态。
可选地，所述计算单元包括：
范围确定子单元，用于确定使得所述车辆处在稳态转向状态的可选调整范围；所述可选调整范围包括所述调整车速和所述调整转向角的组合；
计算子单元，用于在所述可选调整范围内选定使得所述损失函数最小的所述调整车速和所述调整转向角。
再一方面，本申请还提供一种电子设备，包括处理器和存储器；所述处理器通过调用所述存储器存储的程序或指令，用于执行前述所述车辆稳态转向控制方法的步骤。
再一方面，本申请提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储程序或指令，所述程序或指令使计算机执行用于执行前述所述车辆稳态转向控制方法的步骤。
本申请实施例提供的车辆转向控制方法，首先获取车辆的前轮侧偏刚度、后轮侧偏刚度、转弯半径、车速、前轮转向角等参数，基于车辆转向几何模型确定车辆是否处在稳定转向状态，如果没有处在稳态转向状态则基于几何模型和损失函数计算调整参量(包括调整车速和调整转向角)，利用调整参量控制车辆而使得车辆进行稳态转向。采用本申请的方法，基于实际模型，其计算量较小，能够实现车辆控制参量快速的确定，进而利于车辆快速地进入稳态转向。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；
图1是本申请实施例提供的车辆稳态转向控制方法流程图；
图2是车辆稳态转向时的二自由度模型图；
图3是本申请实施例提供的车辆稳态转向的控制装置的结构示意图；
图4是本申请实施例提供的电子设备的结构示意图；
其中：11-参数获取单元，12-状态判断单元，13-计算单元，14-调整单元，21-处理器，22-存储器，23-通信接口，24-总线系统。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本申请的上述目的、特征和优点，下面将对本申请的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但本申请还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。
本申请实施例提供一种车辆稳态控制方法，基于分析方法确定使得车辆稳态转弯时的控制参量。
图1是本申请实施例提供的车辆稳态转向控制方法流程图。如图1所示，本申请实施例提供的车辆稳态转向控制方法包括步骤S101-S104。
S101：获取前轮侧偏刚度、后轮侧偏刚度、前轴承重和后轴承重。
车轮侧偏刚度(包括前轮侧偏刚度、后轮侧偏刚度)是车轮侧向受力特性的参数，其表征了车轮受到的侧向力和车轮侧偏角的比值。实际应用中，车轮的侧偏刚度与安装在车轮上轮胎的结构(诸如斜交轮胎、子午线轮胎等)、车轮半径、车轮胎压和路面的附着系数有关。
在车轮承重处在安全载荷范围并且车辆使用的轮胎的结构确定的情况下，车轮侧偏刚度与其尺寸、车轮胎压和路面的附着系数直接相关，因此在一个具体应用中，可以通过获取车轮胎压、车轮半径、路面附着系数而确定车轮的侧偏刚度。
具体应用中，可以基于特定型号的车辆，建立车轮胎压、车轮半径和路面附着系数与车轮侧偏刚度的数学关系模型；数学关系模型可以是采用拟合分析方法确定的模型，也可以是采用深度学习方法确定的模型，本申请实施例在此不作特别地限定。
在车辆行驶时，可以实时地测量车轮胎压和估算路面附着系数，将车轮胎压、路面附着系数和前述车轮胎压对应的车轮半径带入到模型，得到车轮的侧偏刚度；当然，实际应用中，在车轮胎压较为稳定的情况下，也可以仅估算路面附着系数，基于路面附着系数确定车轮的侧偏刚度。
上文中提及，需要基于路面附着系数确定车轮的侧偏刚度。而在不同的道路环境下，路面附着系数可能并不相同；因此实际应用中，需要首先确定道路的路面附着系数。
在本申请实施例具体实施中，路面附着系数可以通过如下任一方法得到。
(1)基于车轮动力学的估算方法；基于车轮动力学的路面附着系数通过根据轮速和车速信息得到车轮的滑移率，并通过汽车模型估计得到的车轮-路面摩擦力，采用最小二乘法或者卡尔曼滤波法得到附着系数和摩擦力曲线的斜率，继而得到路面附着系数。
(2)基于车辆动力学的估算方法；基于车辆动力学的估算方法，利用车辆动力学模型估计的轮速和横摆角速度，并将估算的轮速、横摆角速度和实际测量的车辆数据进行比较而确定差值，继而对假设的路面附着系数进行校正估计，而得到实际的路面附着系数。
(3)基于回正力矩的估算方法；基于回正力矩的估算方法通过回正力矩与侧偏角或侧向加速度，确定路面附着系数。
(4)基于状态观测器估算的方法；基于状态观测估算的方法以简化车辆动力学模型为基础，将车辆传感器信息(例如轮速变化信息)作为模型输入，再利用传感器传回数据与观测器估算数值进行比较确定误差，并利用误差作为校正进行反馈而确定路面附着系数。
当然，在实际应用中，也可以查询高精地图信息和天气信息，基于高精地图信息和天气信息确定路面附着系数；具体的，可以基于高精地图确定车辆当前所处位置的路面类型，并基于天气信息中的降水信息、路面积水量信息和路面类型查询预先设置的路面附着信息查找表，确定路面附着系数。
实际应用中的车辆多为两轴四轮车辆(另外，即使并不是两轴四轮车辆，而是如大型货车一类的多后轴车辆，在对其进行简化建模时也设置为两轴四轮车辆)，前轮和后轮在转向时的受力特性并不完全相同，因此需要单独考虑车辆的前轮侧偏刚度和后轮侧偏刚度。
步骤S101中提及，需要获取车辆的前轴承重和后轴承重。实际应用中，获取前轴承重和后轴承重的方法包括如下几种。
(1)基于整车车身重量分配前轴承重和后轴承重，具体包括步骤S1011-S1012。
S1011：获取车辆负载。
实际应用中，步骤S1011获取车辆重量可以在车辆启动后，在车辆行驶过程中的扭矩输出特性和车辆的加速度特性而确定车辆负载。
具体的，在车辆加速行驶时获取车辆驱动装置的输出扭矩，同时在确定车轮不打滑的情况下获取车辆的加速度，随后根据输出扭矩和车辆的加速度计算得到车辆负载。其中车辆加速度可以通过对车轮速度进行微分求算得到，也可以采用加速度传感器测量得到。
S1012：根据车辆负载和车辆结构数据确定前轴承重和后轴承重。
车辆结构数据至少包括车辆的质心与车辆前轴距离lf、车辆质心与车辆后轴距离lr和车辆轴距L，L＝lf+lr；根据车辆负载和车辆结构确定前轴承重和后轴承重，即使将车辆结构简化为二点简支梁，并将车辆负载施加在车辆的质心位置处，而确定前轴承重和后轴承重；如果车辆负载为m，则前轴承重为
Figure BDA0002992834040000081
后轴承重为
Figure BDA0002992834040000082
具体实施中，前述的步骤S1011和S1012多应用在载人载物较少的轿车、SUV或者MPV等类型车辆。
(2)基于车辆的实际载重位置情况确定车辆的前轴承重和后轴承重；具体包括步骤S1013和S1014。
S1013：获取车辆座椅或货箱中压力传感器生成的压力数据。
在此实施例中，车辆座椅上设置有压力传感器；根据压力传感器生成的压力数据可以估算出在对应位置处的负载。
S1014：根据压力数据和车辆的结构数据确定前轴承重和后轴承重。
在步骤S1013中，车辆的结构数据除了包括车辆的质心与车辆前轴距离lf、车辆质心与车辆后轴距离lr外，还包括各个压力传感器在车辆中的安装位置距离车辆前轴和后轴的距离；此外，车辆的结构数据还包括车辆自重的分布情况。
步骤S1014中，首先根据压力传感器生成的压力数据，估算出对应位置处的负载；随后，基于负载的大小、负载在车辆中的位置、负载距离车辆前轴和后轴的距离，以及车辆自重的分布情况确定前轴承重和后轴承重。
S102：根据前轮侧偏刚度、后轮侧偏刚度、前轴承重、后轴承重、车辆的转弯半径、车辆轴距、当前车速和当前转向角判断车辆是否处在稳态转向状态。
车辆的转弯半径是自动驾驶中，自动驾驶软件进行路径规划而确定的弯道半径。
当前转向角是当前时刻车辆的前轮转向角。
以下首先对车辆的二自由度模型做分析，并基于二自由度模型分析确定如何判断车辆是否处在稳态转向状态。
图2是车辆稳态转向时的二自由度模型图。请参见图2，其中R为车辆的转弯半径，L为车辆轴距，αf为车辆的前轮侧偏角，αr为车辆的后轮侧偏角，O点为车辆的瞬间转向中心，其为车辆前后车轮速度的垂线的角点。
如图2所示，根据车辆稳态转向的几何分析，旋转中心角为δ-αf+αr，其中δ为前轮转向角，αf为前轮侧偏角，αr为后轮侧偏角；在转弯半径R远大于车辆轴距L的情况下(车辆在高速弯道行驶时符合这一条件)，可以得到
Figure BDA0002992834040000091
对应的，可以得到稳态转向角
Figure BDA0002992834040000092
车辆处在稳态转弯的情况下，车辆转矩平衡方程为Fyflf-Fyrlr＝0，其中，lf为车辆质心到前轴的距离，lr为车辆质心到后轴的距离，Fyf为车辆前轮受到的侧向力，Fyr为车辆后轮受到的侧向力。根据前述方程，可以得到
Figure BDA0002992834040000093
车辆处在稳态转弯时的受力方程为
Figure BDA0002992834040000094
其中Vx为车辆稳态转向时的车速，则将
Figure BDA0002992834040000095
带入稳态转弯时的受力方程可以得到
Figure BDA0002992834040000096
其中
Figure BDA0002992834040000097
为车辆的后轴承重；同样的，根据前述的公式可以得到
Figure BDA0002992834040000098
为作用在车辆的前轴承重。
在车轮胎压正常的情况下，车辆轮胎的侧偏角很小，每个车轮上的轮胎侧向力与其侧偏角成正比。如果Cαf表示前轮的侧偏刚度，Cαr表示后轮的侧偏刚度，假设有两个前轮和两个后轮，则
Figure BDA0002992834040000101
Figure BDA0002992834040000102
将前述的αf和αr带入到
Figure BDA0002992834040000103
得到
Figure BDA0002992834040000104
Figure BDA0002992834040000105
即在稳态转向的情况下，前轮转向角与车辆速度、前轮侧偏刚度、后轮侧偏刚度、前轮承重和后轮承重具有特定的函数关系。
只要满足此函数关系，即可以实现车辆的稳态转向；反向的分析，根据前述函数关系是否成立，即可以判断车辆是否处在稳态转向状态。
按照前文推理的逻辑，本申请具体实施例中，S102的具体执行步骤包括步骤S1021-S1024。
S1021：采用前轮侧偏刚度、后轮侧偏刚度、车辆轴距、转弯半径、前轴承重、后轴承重和车速计算第一转向角。
步骤S1021中具体实施中，采用
Figure BDA0002992834040000106
的计算结果作为第一转向角。
S1022：判断第一转向角是否与当前转向角相同；若是，执行S1023；若否，执行S1024。
具体执行时，步骤S1022是判断第一转向角和当前转向角的大小，继而确定车辆是否处在稳态转向状态。具体应用中可能包括三种情况：(1)第一转向角大于当前转向角，此时车辆转向不足；(2)第一转向角等于当前转向角，此时车辆处在稳态转向状态；(3)第一转向角小于当前转向角，此时车辆转向过度。而转向不足和转向过度均是车辆没有处在稳态转向状态。实际应用中，第一转向角范围根据车辆类型会有不同，一般情况下第一转向角多小于40度；在车辆高速性行驶的情况下，第一转向角多在10度范围内。
S1023：判断车辆处在稳态转向状态。
如果车辆处在稳态转向状态，可以不再执行后续步骤，直接采用当前转向角和当前车速控制车辆，并继续监控前文提及的当前车速、当前转向角、车辆的转弯半径以及地面的附着系数等车辆参数。
S1024：判断车辆没有处在稳态转向状态。
如果车辆并没有处在稳态转向状态，则需要对车辆执行机构控制参量进行调整，使得车辆快速地恢复至稳态转向状态；即执行后续步骤S103-S104。
S103：在车辆没有处在稳态转向状态的情况下，计算使得车辆处在稳态转向状态并且损失函数最小的调整车速和/或调整转向角。
本申请实施例中，损失函数是预先确定的体现车辆车速变化、前轮转向角变化权重的函数。
实际应用中，损失函数中各个参量根据对车辆的安全性需求、车辆自身的安全稳定特性确定；其中安全性需求为用户对车辆驾驶的安全性要求，例如需要保证转向的平顺性、加减速的平顺性；车辆自身的安全稳定特性为车辆在何种状态更容易处在平稳运行状态，而不会出现侧滑、侧翻等问题。例如，实际应用中，前轮转向角的变化可能使得车辆进入一种非稳定状态；为了尽可能小地调整使得转向角被调整，可以为车辆的前轮转向角变化设置一较大的数值权重，而为车速变化设置一较小的数值权重。
在本申请实施例的一个具体应用中，损失函数可以被设置为f(δi,Vi)＝4×(δi+1-δi)2+0.6×(Vi+1-Vi)2，其中δi+1为调整转向角、δi为当前转向角，4为前轮转向角变化权重，Vi+1为调整车速、Vi为当前车速，0.6为车速变化权重。
本申请实施例具体应用中，步骤S103的具体执行过程可以包括步骤S1031-S1032。
S1031：确定使得车辆处在稳定转向状态的可选调整范围。
可选调整范围是使得前述方程
Figure BDA0002992834040000121
成立的车速和转向角组合。
具体应用中，可以首先确定车速和转向角中的一个参数，继而求算出使得前述方程成立的另一参数的大小，并最终确定可选调整范围。应当注意的是，实际应用中，转向角的调整范围受到车辆前轮转向角阈值的限制，车速调整范围受到车辆的动力性能参数和道路安全法规设定的最高车速限制。
S1032：在可选调整范围内选定使得损失函数最小的调整车速和调整转向角。
本申请实施例中，可以以车速或转向角其中一个参数为依据，计算对应的车速和转向角组合下的损失函数，并确定损失函数最小的车速-转向角组合。
实际应用中，
Figure BDA0002992834040000122
的数值正负决定了车速和转向角的变化关系，因此可以基于
Figure BDA0002992834040000123
的正负快速地确定车速、转向角的调整方向，而确定车速-转向角组合之后，在车速-转向角组合中确定调整车速和调整转向角。
S104：根据调整车速和调整转向角控制车辆。
根据调整车速和调整转向角控制车辆，是将确定的调整车速和调整转向角分别下发给车辆中对应的执行机构，以使得执行机构按照设定的参数进行动作，而实现车速或者转向角的调整。
本申请实施例提供的车辆转向控制方法，首先获取车辆的前轮侧偏刚度、后轮侧偏刚度、转弯半径、车速、前轮转向角等参数，基于车辆转向几何模型确定车辆是否处在稳定转向状态，如果没有处在稳态转向状态则基于几何模型和损失函数计算调整参量(包括调整车速和调整转向角)，利用调整参量控制车辆而使得车辆进行稳态转向。采用本方案的方法，可以快速地使得车辆进入稳态转向；因为这一方法基于实际模型，其计算量较小，能够实现车辆控制参量的快速确定。
除了提供前述的车辆稳态转向的控制方法外，本申请实施例还提供一种与前述车辆稳态转向的控制方法具有相同发明构思的稳态转向的控制装置。
图3是本申请实施例提供的车辆稳态转向的控制装置的结构示意图。如图3所示，车辆稳态转向控制装置包括参数获取单元11、状态判断单元12、计算单元13和调整单元14。
参数获取单元11用于获取前轮侧偏刚度、后轮侧偏刚度、前轴承重和后轴承重。
车轮侧偏刚度是车轮侧向受力特性的参数，其表征了车轮受到的侧向力和车轮侧偏角的比值。实际应用中，车轮的侧偏刚度与车轮轮胎的结构(诸如斜交轮胎、子午线轮胎等不同类型的轮胎)、车轮的半径、车轮气压和路面的附着系数有关。
在车轮承重处在安全载荷范围并且车轮的结构确定的情况下，车轮的侧偏刚度与其尺寸、车轮的胎压和路面的附着系数直接相关，因此在一个具体应用中，可以通过获取车轮胎压、车轮半径、路面附着系数而确定车轮的侧偏刚度。
具体应用中，可以基于特定型号的车辆，建立车轮胎压、车轮半径和路面附着系数与轮胎侧偏刚度的数学关系模型；数学关系模型可以是采用拟合分析方法确定的模型，也可以是采用深度学习方法确定的模型，本申请实施例并不做特别地限定。
对应的参数获取单元11可以包括参数获取子单元和侧偏刚度计算子单元；参数获取单元11用于获取车轮胎压、道路附着系数和车轮半径；侧偏刚度计算子单元用于根据车轮胎压、道路附着系数、车轮半径计算车轮侧偏刚度。
前文中提及，需要基于路面附着系数确定车轮的侧偏刚度。而在不同的道路环境下，路面附着系数可能并不相同；因此实际应用中，需要首先确定道路的路面附着系数。
在本申请实施例具体实施中，路面附着系数可以通过如下的方法得到。
(1)基于车轮动力学的估算方法；基于车轮动力学的路面附着系数通过根据轮速和车速信息得到车轮的滑移率，并通过汽车模型估计得到的车轮/路面摩擦力，采用最小二乘法或者卡尔曼滤波法得到附着系数和摩擦力曲线的斜率，继而得到路面附着系数。
(2)基于车辆动力学的估算方法；基于车辆动力学的估算方法，利用车辆动力学模型估计的轮速和横摆角速度，并将估算的轮速和横摆角速度和实际测量的车辆数据进行比较而确定差值，继而对假设的路面附着系数进行校正估计，而得到实际的路面附着系数。
(3)基于回正力矩的估算方法；基于回正力矩的估算方法通过回正力矩与侧偏角或侧向加速度，确定路面附着系数。
(4)基于状态观测去估算的方法；基于状态观测估算的方法以简化车辆动力学模型为基础，将车辆传感器信息(例如轮速变化信息)作为模型输入，再利用传感器传回数据与观测器估算数值进行比较确定误差，并利用误差作为校正进行反馈而确定路面附着系数。
当然，在实际应用中，也可以查询高精地图信息和天气信息，基于高精地图信息和天气信息确定路面附着系数；具体的，可以基于高精地图确定车辆当前所处位置的路面类型，并基于天气信息中的降水信息、路面积水量信息和路面类型查询预先设置的路面附着信息查找表，确定路面附着系数。
实际应用中的车辆多为两轴四轮车辆(另外，即使并不是两轴四轮车辆，而是如大型货车一类的多后轴车辆，在对其进行简化建模时也设置为两轴四轮车辆)，前轮和后轮在转向时的受力特性并不完全相同，因此需要单独考虑车辆的前轮侧偏刚度和后轮侧偏刚度。
参数获取单元11还需要获取车辆的前轴承重和后轴承重。实际应用中，参数获取单元11获取前轴承重和后轴承重的方法包括如下几种。
(1)基于整车车身重量分配前轴承重和后轴承重；在此情况下，参数获取单元11可以包括负载获取子单元和承重计算子单元。
在车辆行驶过程中的，负载计算子单元可以根据扭矩输出特性和车辆的加速度特性而确定车辆负载。具体的，在车辆加速行驶时获取车辆驱动装置的输出扭矩，同时在确定车轮不打滑的情况下获取车辆的加速度，随后根据输出扭矩和车辆的加速度计算得到车辆负载。其中前文提及的车辆加速度可以通过对车轮速度进行微分求算得到，也可以采用加速度传感器测量得到。
承重计算子单元则根据车辆负载和车辆结构数据确定前轴承重和后轴承重。车辆结构数据至少包括车辆的质心与车辆前轴距离lf、车辆质心与车辆后轴距离lr和车辆轴距L，L＝lf+lr；根据车辆负载和车辆的结构数据确定前轴承重和后轴承重，即使将车辆结构简化为二点简支梁，并将车辆负载施加在车辆的质心位置处，而确定前轴承重和后轴承重；如果车辆负载为m，则前轴承重为
Figure BDA0002992834040000151
后轴承重为
Figure BDA0002992834040000152
前述(1)方法多应用在载人载物较少、并且载人载物的轿车、SUV或者MPV等类型车辆。
(2)基于车辆的实际载重位置情况确定车辆的前轴承重和后轴承重。在此情况下，参数获取单元11包括压力数据获取子单元和承重计算子单元。
压力数据获取子单元，用于获取车辆座椅和/或货箱中压力传感器生成的压力数据。车辆座椅上设置有压力传感器；根据压力传感器生成的压力数据可以估算出在对应位置处的负载。
承重计算子单元用于根据压力数据和车辆的结构数据确定前轴承重和后轴承重。
在方法(2)情况下，车辆的结构数据除了包括车辆的质心与车辆前轴距离lf、辆质心与车辆后轴距离lr外，还包括各个压力传感器在车辆中的安装位置距离车辆前轴和后轴的距离；此外，车辆的结构数据还包括车辆自重的分布情况。
承重计算子单元首先根据压力传感器生成的压力数据，估算出对应位置处的负载；随后，基于负载的大小、负载在车辆中的位置、负载距离车辆前轴和后轴的距离，以及车辆自重的分布情况确定前轴承重和后轴承重。
状态判断单元12用于根据前轮侧偏刚度、后轮侧偏刚度、前轴承重、后轴承重、车辆的转弯半径、车辆轴距、当前车速和当前转向角判断车辆是否处在稳态转向状态。
以下首先对车辆的二自由度模型做分析，并基于二自由度模型分析确定如何判断车辆是否处在稳态转向状态。
如图2所示，根据车辆稳态转向的几何分析，旋转中心角为δ-αf+αr，其中δ为前轮转向角，αf为前轮侧偏角，αr为后轮侧偏角；在转弯半径R远大于车辆轴距L的情况下，可以得到
Figure BDA0002992834040000161
对应的，可以得到稳态转向角
Figure BDA0002992834040000162
车辆处在稳态转弯的情况下，车辆转矩平衡方程为Fyflf-Fyrlr＝0，其中，lf为车辆质心到前轴的距离，lr为车辆质心到后轴的距离，Fyf为车辆前轮受到的侧向力，Fyr为车辆后轮受到的侧向力。根据前述方程，可以得到
Figure BDA0002992834040000163
车辆处在稳态转弯时的受力方程为
Figure BDA0002992834040000164
其中Vx为车辆稳态转向时的车速，则将
Figure BDA0002992834040000165
带入稳态转弯时的受力方程可以得到
Figure BDA0002992834040000166
其中
Figure BDA0002992834040000167
为车辆的后轴承重；同样的，根据前述的公式可以得到
Figure BDA0002992834040000168
为作用在车辆的前轴承重。
在车轮胎压正常的情况下，车辆轮胎的侧偏角很小，每个车轮的车轮侧向力与其侧偏角成正比。如果Cαf表示前轮的侧偏刚度，Cαr表示个后轮的侧偏刚度，假设有两个前轮和两个后轮，则
Figure BDA0002992834040000171
Figure BDA0002992834040000172
将前述的αf和αr带入到
Figure BDA0002992834040000173
得到
Figure BDA0002992834040000174
Figure BDA0002992834040000175
即在稳态转向的情况下，前轮转向角与车辆速度、前轮侧偏刚度、后轮侧偏刚度、前轮承重和后轮承重具有特定的函数关系。
只要满足此函数关系，即可以实现车辆的稳态转向；反向的分析，根据前述函数关系是否成立，即可以判断车辆是否处在稳态转向状态。
基于前述的推理过程，状态判断单元12包括第一转向角计算子单元、判断子单元和转向状态判断子单元。
第一转向角计算子单元，采用前轮侧偏刚度、后轮侧偏刚度、车辆轴距、转弯半径、前轴承重、后轴承重和车速计算第一转向角。
具体应用中，第一转向角计算子单元采用
Figure BDA0002992834040000176
的计算结果作为第一转向角。
判断子单元用于判断第一转向角是否与当前转向角相同；具体应用中可能包括三种情况：(1)第一转向角大于当前转向角，此时车辆转向不足；(2)第一转向角等与当前转向角，此时车辆处在稳态转向状态；(3)第一转向角小于当前转向角，此时车辆转向过度。而转向不足和转向过度均是车辆没有处在稳态转向状态。实际应用中，第一转向角范围根据车辆类型会有不同，一般情况下第一转向角多小于40度；在车辆高速性行驶的情况下，第一转向角多在10度范围内。
转向状态判断子单元用于在第一转向角与当前转向角不同的情况下，判断车辆没有处在稳态转向状态。如果车辆处在稳态转向状态，可以不再执行后续步骤，直接采用当前转向角和当前车速控制车辆，并继续监控前文提及的当前车速、当前转向角、车辆的转弯半径以及地面的附着系数等车辆参数。而如果车辆并没有处在稳态转向状态，则需要对车辆执行机构控制参量进行调整，使得车辆快速地恢复至稳态转向状态。
计算单元13用于在车辆没有处在稳态转向状态的情况下，计算使得车辆处在稳态转向状态并且损失函数最小的调整车速和调整转向角。
本申请实施例中，损失函数是预先确定的体现车辆车速变化、前轮转向角变化权重的函数。
实际应用中，损失函数中各个参量根据对车辆的安全性需求、车辆自身的安全稳定特性确定；其中安全性需求为用户对车辆驾驶的安全性要求，例如需要保证转向的平顺性、加减速的平顺性；车辆自身的安全稳定特性为车辆在何种状态更容易处在平稳运行状态，而不会出现侧滑、侧翻等问题。例如，实际应用中，前轮转向角的变化可能使得车辆进入一种非稳定状态；为了尽可能小地调整使得转向角被调整，可以为车辆的前轮转向角变化设置一较大的数值权重，而为车速变化设置一较小的数值权重。
在本申请实施例的一个具体应用中，损失函数可以被设置f(δi,Vi)＝4×(δi+1-δi)2+0.6×(Vi+1-Vi)2，其中δi+1为调整转向角、δi为当前转向角，4为前轮转向角变化权重，Vi+1为调整车速、Vi为当前车速，0.6为车速变化权重。
在本申请实施例的一个实际应用中，计算单元13可以包括范围确定子单元和计算子单元。
范围确定子单元用于确定使得车辆处在稳态转向状态的可选调整范围。
可选调整范围是使得前述方程
Figure BDA0002992834040000181
成立的车速和转向角组合。
具体应用中，可以首先确定车速和转向角中的一个参数，继而求算出使得前述方程成立的另一参数的大小，并最终确定可选调整范围。应当注意的是，实际应用中，转向角的调整范围受到车辆前轮转向角阈值的限制，车速调整范围受到车辆的动力性能参数和道路安全法规设定的最高车速限制。
计算子单元用于在可选调整范围内选定使得损失函数最小的调整车速和调整转向角。
本申请实施例中，可以以车速或转向角其中一个参数为依据，计算对应的车速和转向角组合下的损失函数，并确定损失函数最小的车速-转向角组合。
实际应用中，
Figure BDA0002992834040000191
的数值正负决定了车速和转向角的变化关系，因此可以基于
Figure BDA0002992834040000192
的正负快速地确定车速、转向角的调整方向，而确定车速-转向角组合之后，在车速-转向角组合中确定调整车速和调整转向角。
调整单元14用于根据调整车速和调整转向角控制车辆。
根据调整车速和调整转向角控制车辆，是将确定的调整车速和调整转向角分别下发给车辆中对应的执行机构，以使得执行机构按照设定的参数进行动作，而实现车速或者转向角的调整。
本申请实施例提供的车辆转向控制装置，首先获取车辆的前轮侧偏刚度、后轮侧偏刚度、转弯半径、车速、前轮转向角等参数，基于车辆转向几何模型确定车辆是否处在稳定转向状态，如果没有处在稳态转向状态则基于几何模型和损失函数计算调整参量(包括调整车速和调整转向角)，利用调整参量控制车辆而使得车辆进行稳态转向。采用本方案方法，可以快速地使得车辆进入稳态转向；因为这一方法基于实际模型，其计算量较小，能够实现车辆控制参量的快速确定。
除了提供前述的车辆稳态转向控制方法和控制装置外，本申请实施例还提供一种实施前述方法的电子设备。
图4是本申请实施例提供的电子设备的结构示意图。如图4所示，电子设备包括至少一个处理器21、至少一个存储器22和至少一个通信接口23。
本实施例中的存储器22可以是易失性存储器或非易失性存储器，或是前述的二者的结合。在一些具体实施方式中，存储器22存储了如下的元素：可执行单元或者数据结构，或者他们的子集，或者他们的扩展集：操作系统和应用程序。其中，操作系统，包含各种系统程序，例如框架层、核心库层、驱动层等，用于实现各种基础任务以及处理基于硬件的任务。应用程序，包含各种应用任务的应用程序。实现本申请实施例提供的车辆稳态转向控制方法的程序可以包含在应用程序中。
在本申请实施例中，处理器21通过调用存储器22存储的程序或指令(具体的，可以是应用程序中存储的程序或指令)，以执行车辆稳态转向控制方法的各个步骤，具体包括执行如下步骤S301-S304。
S301：获取前轮侧偏刚度和后轮侧偏刚度，以及获取车辆的前轴承重和后轴承。
在车辆行驶时，可以实时地测量的车轮胎压和估算路面附着系数，将车轮胎压、路面附着系数和前述车轮胎压对应的车轮半径带入到模型而得到车轮的侧偏刚度；当然，实际应用中，在车轮的胎压较为稳定的情况下，也可以仅估算路面附着系数，基于路面附着系数确定前轮的侧偏刚度和后轮的侧偏刚度。
获取车辆的前轴承重和后轴承重可以由如下方法：(1)首先获取车辆负载，随后根据车辆负载和车辆结构数据确定前轴承重和后轴承重；(2)在车辆座椅或货箱上安装压力传感器的情况下，获取车辆座椅或货箱中压力传感器生成的压力数据，随后根据压力数据和车辆的结构数据确定前轴承重和后轴承重。
S302：根据前轮侧偏刚度、后轮侧偏刚度、前轴承重、后轴承重、车辆的转弯半径、车辆轴距、当前车速和当前转向角判断车辆是否处在稳态转向状态。
具体执行S302时，可以按照下述步骤：采用车辆轴距、转弯半径、前轴承重、后轴承重、前轮侧偏刚度、后轮侧偏刚度和车速计算第一转向角；判断第一转向角是否与当前转向角相同；若二者不同则确定车辆没有处在稳态转向状态。
S303：在车辆没有处在稳态转向状态的情况下，计算使得车辆处在稳态转向状态并且损失函数最小的调整车速和调整转向角。
具体实施中，可以按照下述方法确定调整车速和调整转向角，首先确定使得车辆处在稳定转向状态的可选调整范围，随后在可选调整范围内选定使得损失函数最小的调整车速和调整转向角。
S304：根据调整车速和调整转向角控制车辆。
根据调整车速和调整转向角控制车辆，是将确定的调整车速和调整转向角分别下发给车辆中对应的执行机构，以使得执行机构按照设定的参数进行动作，而实现车速或者转向角的调整。
本申请实施例中，处理器21可以是通用处理器、数字信号处理器(Digital SignalProcessor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
本申请实施例提供的车辆稳态转向控制方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件单元组合执行完成。软件单元可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器22，处理器21读取存储器22中的信息，结合其硬件完成方法的步骤。
通信接口23用于实现智能驾驶控制系统与外部设备之间的信息传输，例如以获得各种车辆传感器数据，以及生成相应的控制指令并下发给车辆的执行机构。
电子设备中的存储器、处理器组件通过总线系统24耦合在一起，总线系统24用于实现这些组件之间的连接通信。本申请实施例中，总线系统可以为CAN总线，也可以是其他类型的总线。总线系统224除包括数据总线之外，还包括电源总线、控制总线和状态信号总线。但为了清楚说明起见，在图4中将各种总线都标为总线系统24。
本申请实施例还提出一种非暂态计算机可读存储介质，非暂态计算机可读存储介质存储程序或指令，程序或指令使计算机执行如前车辆稳态转向控制方法实施例的步骤，为避免重复描述，在此不再赘述。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (15)

1.一种车辆稳态转向控制方法，其特征在于，包括：
获取前轮侧偏刚度、后轮侧偏刚度、前轴承重和后轴承重；
根据所述前轮侧偏刚度、所述后轮侧偏刚度、所述前轴承重、所述后轴承重、车辆的转弯半径、车辆轴距、当前车速和当前转向角判断车辆是否处在稳态转向状态；
在车辆没有处在稳态转向状态的情况下，计算使得车辆处在稳态转向状态并且损失函数最小的调整车速和调整转向角；
根据所述调整车速和所述调整转向角控制所述车辆。
2.根据权利要求1所述车辆稳态转向控制方法，其特征在于，获取前轮侧偏刚度和后轮侧偏刚度，包括：
获取车轮胎压、道路附着系数和车轮半径；
根据所述车轮胎压、所述道路附着系数和所述车轮半径计算所述前轮侧偏刚度和所述后轮侧偏刚度。
3.根据权利要求2所述车辆稳态转向控制方法，其特征在于，
所述道路附着系数根据车辆轮速变化频率和/或车辆横摆角变化频率估算得到。
4.根据权利要求1所述车辆稳态转向控制方法，其特征在于，所述获取车辆的前轴承重和后轴承重，包括：
获取车辆座椅和/或货箱中压力传感器生成的压力数据；
根据所述压力数据和车辆的结构数据确定所述前轴承重和所述后轴承重。
5.根据权利要求1所述车辆稳态转向控制方法，其特征在于，所述获取车辆的前轴承重和后轴承重，包括：
获取所述车辆负载；
根据所述车辆负载和所述车辆的结构数据确定所述前轴承重和所述后轴承重。
6.根据权利要求1所述车辆稳态转向控制方法，其特征在于：
根据所述前轮侧偏刚度、所述后轮侧偏刚度、所述前轴承重、所述后轴承重、车辆的转弯半径、车辆轴距、当前车速和当前转向角判断车辆是否处在稳态转向状态，包括：
根据所述前轮侧偏刚度、所述后轮侧偏刚度、所述前轴承重、所述后轴承重、所述车辆轴距、所述转弯半径和所述当前车速计算第一转向角；
判断所述第一转向角是否与所述当前转向角相同；
在所述第一转向角与当前转向角不同的情况下，判断车辆没有处在稳态转向状态。
7.根据权利要求1所述车辆稳态转向控制方法，其特征在于：
计算使得车辆处在稳态转向状态并且损失函数最小的调整车速和调整转向角，包括：
确定使得所述车辆处在稳态转向状态的可选调整范围；所述可选调整范围包括所述调整车速和所述调整转向角的组合；
在所述可选调整范围内选定使得所述损失函数最小的所述调整车速和所述调整转向角。
8.一种车辆稳态转向控制装置，其特征在于，包括：
参数获取单元，用于获取前轮侧偏刚度、后轮侧偏刚度、前轴承重和后轴承重；
状态判断单元，用于根据所述前轮侧偏刚度、所述后轮侧偏刚度、所述前轴承重、所述后轴承重、车辆的转弯半径、车辆轴距、当前车速和当前转向角判断车辆是否处在稳态转向状态；
计算单元，用于在车辆没有处在稳态转向状态的情况下，计算使得车辆处在稳态转向状态并且损失函数最小的调整车速和调整转向角；
调整单元，用于根据所述调整车速和所述调整转向角控制所述车辆。
9.根据权利要求8所述车辆稳态转向控制装置，其特征在于，所述参数获取单元包括：
参数获取子单元，用于获取车轮胎压、道路附着系数和车轮半径；
侧偏刚度计算子单元，用于根据所述车轮胎压、所述道路附着系数和所述车轮半径计算所述前轮侧偏刚度和所述后轮侧偏刚度。
10.根据权利要求8所述车辆稳态转向控制装置，其特征在于，参数获取单元包括：
压力数据获取子单元，用于获取车辆座椅和/或货箱中压力传感器生成的压力数据；
承重计算子单元，用于根据所述压力数据和车辆的结构数据确定所述前轴承重和所述后轴承重。
11.根据权利要求8所述车辆稳态转向控制装置，其特征在于，参数获取单元包括：
负载获取子单元，用于获取所述车辆负载；
承重计算子单元，用于根据所述车辆负载和所述车辆的结构数据确定所述前轴承重和所述后轴承重。
12.根据权利要求8所述车辆稳态转向控制装置，其特征在于，所述状态判断单元，包括：
第一转向角计算子单元，用于根据所述前轮侧偏刚度、所述后轮侧偏刚度、所述前轴承重、所述后轴承重、所述车辆轴距、所述转弯半径和所述车速计算第一转向角；
判断子单元，用于判断所述第一转向角是否与所述当前转向角相同；
转向状态判断子单元，用于在所述第一转向角与当前转向角不同的情况下，判断车辆没有处在稳态转向状态。
13.根据权利要求1所述车辆稳态转向控制装置，其特征在于，所述计算单元包括：
范围确定子单元，用于确定使得所述车辆处在稳态转向状态的可选调整范围；所述可选调整范围包括所述调整车速和所述调整转向角的组合；
计算子单元，用于在所述可选调整范围内选定使得所述损失函数最小的所述调整车速和所述调整转向角。
14.一种电子设备，其特征在于，包括处理器和存储器；
所述处理器通过调用所述存储器存储的程序或指令，用于执行如权利要求1至7任一项所述方法的步骤。
15.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储程序或指令，所述程序或指令使计算机执行如权利要求1至7所述方法的步骤。
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