CN113479263A - 结合无人驾驶的车辆外倾角和前束角协同控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开车辆的悬架控制领域中的一种结合无人驾驶的车辆外倾角和前束角协同控制系统及方法，包括非当前车辆路况识别与获取模块，当前车辆的无人驾驶模块、云端数据库、信息处理模块、外倾角传感器、前束角传感器、方向盘转角传感器、节气门开度传感器、目标前束判断模块以及目标外倾判断模块，根据非当前车辆行驶速度信息反馈，对路面情况进行预判，车辆在行驶过程中，通过非当前车辆行驶速度以及对下一时刻节气门开度和下一时刻方向盘转角预测，提前调整车辆前轮外倾角和前束角，克服时滞性，综合考虑车辆前轮外倾角和前束角对车辆操作稳定性的影响，通过两者设计匹配法则协同控制车辆前轮前束角和外倾角，提高车辆的舒适性。

Description

结合无人驾驶的车辆外倾角和前束角协同控制系统及方法

技术领域

本发明涉及车辆的悬架控制领域，具体涉及结合无人驾驶模块的悬架前轮外倾角和前束角的协同控制系统及方法

背景技术

无人驾驶技术发展迅速，无人驾驶汽车所含有的功能有行为决策、环境感知和路径规划。行为决策就是行动管控系统独立的对无人驾驶汽车所在的行进位置、状态、速度等展开全面的数据分析，然后开始智能管控车辆的油门、制动和方向等；环境感知模块包含激光雷达和毫米波雷达等，用于感知车辆外围环境信息；路径规划是利用GPS和北斗导航系统并结合高精度地图，从自身的起点到终点寻找一条安全可靠的最优路线。

目前，在车辆上装配有外倾角和前束角的控制系统相比于未配有该系统的车辆在汽车操纵稳定性和平顺性方面有更好的表现。例如，中国专利公开号为CN106005007A的文献公开了一种车辆外倾角和前束角的调整装置，该装置是由调整板、驱动机构、外倾角调整机构、前束角调整机构、转向节机构、悬架上摆臂和悬架下摆臂组成，实现车轮轴与转向节机构的相对位置可变的同时调整外倾角与前束角，同时解决在不同工况下对外倾角和前束角的不同需求，但是该装置不能根据前方路况提前对该车前束角和外倾角进行实时的动态调整，具有一定的时滞性。中国专利公开号为CN111703503A的文献中提出了一种结合自动驾驶模块的悬架前轮前束角控制系统及方法，该方法能使车辆在行驶过程中根据本车簧载质量及胎温信息调节车辆的前轮前束角，实现预先调节前束角的悬架前束控制，虽然这个方法可以提前对汽车前轮前束角进行调整，但是没有综合考虑外倾角和前束角的共同影响，影响车辆的操纵稳定性和平顺性。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中未能实现对汽车前轮外倾角和前束角预先协同控制的问题，提出了一种结合无人驾驶模块的悬架前轮外倾角和前束角的协同控制系统及协同控制方法，能够在汽车行驶过程中可以结合无人驾驶模块，并结合非当前车辆行驶速度信息反馈，实现对路面情况进行预判，最终实时调节车辆前轮外倾角和前束角。

本发明所述的结合无人驾驶的车辆外倾角和前束角协同控制系统采用的技术方案是：包括非当前车辆路况识别与获取模块，当前车辆的无人驾驶模块、云端数据库、信息处理模块、外倾角传感器、前束角传感器、方向盘转角传感器、节气门开度传感器、目标前束判断模块以及目标外倾判断模块，其特征是：所述的非当前车辆路况识别与获取模块采集非当前车辆的行车位置P₁和行驶速度v_n并发送到云端数据库中；云端数据库和信息处理模块双向连接，行驶速度v_n发送到信息处理模块中；无人驾驶模块输出当前行车位置P₂、周围的道路信息H和行进路线L至信息处理模块中；外倾角传感器采集当前初始外倾角β₀，前束角传感器采集当前始前束角γ₀，节气门开度传感器获取当前节气门开度θ_k，方向盘转角传感器采集当前方向盘转角δ_k，并将β₀、γ₀、δ_k和θ_k传给信息处理模块；信息处理模块根据行进路线L以及当前方向盘转角δ_k和当前节气门开度θ_k预测到下一时刻方向盘转角δ_k+1和节气门开度θ_k+1，并将行驶速度v_n、当前初始外倾角β₀、当前始前束角γ₀以及下一时刻方向盘转角δ_k+1和节气门开度θ_k+1共同发送到目标前束判断模块以及目标外倾判断模块中；目标前束判断模块和目标外倾判断模块对接收的信息协同处理，目标前束判断模块输出第三前束角γ₃，目标外倾判断模块输出第三外倾角β₃。

本发明所述的结合无人驾驶的车辆外倾角和前束角协同控制系统的协同控制采用的技术方案是包括以下步骤：

步骤1)：目标外倾判断模块根据所述的行驶速度v_n和初始外倾角β₀计算出车辆的第一外倾角β₁并作保存，并将第一外倾角β₁发送给目标前束判断模块；

步骤2)：目标前束判断模块判断是否需要调整车辆的前束角，若不需要，则目标前束判断模块不工作，若需要，则目标前束判断模块根据根据第一外倾角β₁、初始外倾角β₀和初始前束角γ₀计算出第一前束角γ₁并作保存；

步骤3)：目标外倾判断模块根据第一外倾角β₁和下一时刻节气门开度θ_k+1计算出第二外倾角β₂并作保存，并将第二外倾角β₂发送给目标前束判断模块；

步骤4)：目标前束判断模块判断是否需要调整车辆前束角，若不需要，则目标前束判断模块不工作；若需要，则目标前束判断模块根据第二外倾角β₂和第一前束角γ₁计算出第二前束角γ₂并作保存；

步骤5)：目标外倾判断模块根据第二外倾角β₂和下一时刻方向盘转角δ_k+1计算出第三外倾角β₃并作保存，并将第三外倾角β₃发送给目标前束判断模块；

步骤6)：目标前束判断模块判断是否需要调整车辆前轮前束角，若不需要，则目标前束判断模块不工作；若需要，则目标前束判断模块根据第二外倾角β₂、第三外倾角β₃以及第二前束角γ₂计算出第三前束角γ₃；

步骤7)：目标前束判断模块输出第三前束角γ₃，目标外倾判断模块输出第三外倾角β₃。

本发明的优点是：

1、结合无人驾驶模块，根据非当前车辆行驶速度信息反馈，对路面情况进行预判，来协同调节车轮外倾角和前束角。

2、本发明考虑车辆在行驶过程中，通过非当前车辆行驶速度以及对下一时刻节气门开度和下一时刻方向盘转角预测，提前调整车辆前轮外倾角和前束角，可以克服时滞性。

3、本发明综合考虑车辆前轮外倾角和前束角对车辆操作稳定性的影响，通过两者设计匹配法则协同控制车辆前轮前束角和外倾角，可以提高车辆的舒适性。

附图说明

图1是本发明所述的结合无人驾驶的车辆外倾角和前束角协同控制系统的结构框图；

图2是本发明所述的协同控制系统的控制流程图；

图3是图2中目标外倾判断模块和目标前束判断模块协同控制外倾角和前束角的流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述的结合无人驾驶的车辆外倾角和前束角协同控制系统由非当前车辆路况识别与获取模块、当前车辆上的车载ECU终端、外倾角传感器、前束角传感器、方向盘转角传感器、节气门开度传感器以及左、右前束控制器和左、右外倾控制器组成。

非当前车辆路况识别与获取模块、外倾角传感器、前束角传感器、方向盘转角传感器、节气门开度传感器的输出端均经信号线连接车载ECU终端的输入端，将采集的信号输入车载ECU终端中，车载ECU终端的输出端通过控制线分别连接左前束控制器、右前束控制器以及左外倾控制器、右外倾控制器。

其中，车载ECU终端由无人驾驶模块、云端数据库、信息处理模块、目标前束判断模块、目标外倾判断模块组成。非当前车辆路况识别与获取模块的输出端连接云端数据库的输入端，云端数据库和信息处理模块双向连接，信息处理模块的输出端分别连接目标前束判断模块和目标外倾判断模块的输入端，目标前束判断模块的输出端分别连接左前束控制器和右前束控制器，目标外倾判断模块的输出端分别连接左外倾控制器和右外倾控制器。无人驾驶模块以及外倾角传感器、前束角传感器、方向盘转角传感器、节气门开度传感器的输出端均连接信息处理模块的输入端。

除非当前车辆路况识别与获取模块安装在非当前车辆上，图1中的其余部件均安装在当前车辆上。非当前车辆路况识别与获取模块由第一GPS模块和速度传感器组成，通过第一GPS模块获取非当前车辆行车位置P₁，并通过速度传感器获取行驶该路面时的行驶速度v_n信息，之后非当前车辆路况识别与获取模块将非当前车辆的行车位置P₁和非当前车辆的行驶速度v_n发送到当前车辆的云端数据库中，云端数据库将行驶速度v_n发送到信息处理模块中。

无人驾驶模块包括毫米波雷达、激光雷达、第二GPS模块和路径规划模块，毫米波雷达、激光雷达和第二GPS模块的输出端均连接路径规划模块的输入端，路径规划模块的输出端连接信息处理模块的输入端。当前车辆通过第二GPS模块获取当前车辆行车位置P₂，通过激光雷达与毫米波雷达获取当前车辆在当前时刻所处周围的道路信息H，道路信息H和行车位置P₂输入到路径规划规划模块中，路径规划规划模块根据所采集的当前时刻所处周围的道路信息H和行车位置P₂获取精密的行进路线L，并将当前车辆的当前行车位置P₂、当前时刻所处周围的道路信息H和精密的行进路线L传递给信息处理模块。

同时，外倾角传感器采集当前车辆在当前时刻的左右前轮的初始外倾角β₀，前束角传感器采集当前车辆当前时刻的左右前轮的初始前束角γ₀，节气门开度传感器获取当前车辆当前时刻的行驶时节气门开度θ_k，方向盘转角传感器采集当前时刻当前车辆行驶时的方向盘转角δ_k，并将左右前轮初始外倾角β₀、左右前轮初始前束角γ₀、方向盘转角δ_k和节气门开度θ_k传给信息处理模块。

在当前车辆在无人驾驶模式下，信息处理模块根据精密的行进路线L以及当前时刻方向盘转角δ_k和节气门开度θ_k，预测到车辆下一时刻方向盘转角δ_k+1和节气门开度θ_k+1。信息处理模块将非当前车辆行驶速度v_n、当前车辆的初始外倾角β₀、初始前束角γ₀、下一时刻方向盘转角δ_k+1和下一时刻节气门开度θ_k+1共同发送给目标外倾判断模块和目标前束判断模块中。目标外倾判断模块得到车辆前轮外倾角信息，并发送给目标前束判断模块。

当车辆在行驶过程中，根据第二GPS模块定位当前车辆的行车位置P₂。同时当前行驶车辆从云端数据库中搜索并下载到与行车位置P₂为同区间段非当前车辆的行车位置P₁所对应的非当前车辆行驶速度v_n，并将该非当前车辆行驶速度v_n传给信息处理模块。信息处理模块预测出下一时刻方向盘转角δ_k+1和下一时刻车辆节气门开度θ_k+1并结合云端数据库中非当前车辆的行驶速度v_n分析并判断出当前路面等级，路况类型。其中，根据非当前车辆行驶车速v_n判断路况类型如下表1所示；

表1

同时，信息处理模块将路况类型信息传到云端数据库中，供其他车辆继续使用。

左前束控制器和右前束控制器统称为前束控制器，左外倾控制器和右外倾控制器统称为外倾控制器。目标外倾判断模块的输出端与外倾控制器的输入端连接，目标前束判断模块的输出端与前束控制器的输入端连接。目标外倾判断模块输出的是车辆前轮外倾角β₃，目标前束判断模块输出的是车辆前轮前束角γ₃，外倾控制器、前束控制器接收到目标外倾判断模块、目标前束判断模块的指令后，便可以根据指令实时调整车辆前轮外倾角β₃和车辆前轮前束角γ₃，达到车辆外倾角和前束角协同控制效果。

如图2所示，结合无人驾驶模块的车辆外倾角和前束角控制系统的具体控制步骤如下：

步骤1：当前车辆行驶，开启无人驾驶模式，无人驾驶模块工作，第二GPS模块获取当前车辆行车位置P₂，信息处理模块从云端数据库中搜索并下载与行车位置P₂为同区间段的非当前车辆行车位置P₁所对应的非当前车辆行车速度v_n。

步骤2：当前车辆通过外倾角传感器和前束角传感器分别采集当前时刻当前车辆的初始外倾角β₀和初始前束角γ₀信息，并将初始外倾角β₀和初始前束角γ₀传送至信息处理模块。本发明中，具体的测量当前车辆的初始外倾角β₀的方法记录在中国专利公开号为CN103499311A、名称为“一种汽车在行驶过程中轮胎外倾角实时测量方法”的文献中，具体的测量初始前束角γ₀的方法记录在中国专利公开号为CN109211146A、名称为“前束角测量方法”的文献中中，在此不再阐述。

同时，当前车辆通过方向盘转角传感器采集当前时刻方向盘转角δ_k，通过节气门开度传感器采集当前时刻节气门开度θ_k，并将当前时刻方向盘转角δ_k和节气门开度θ_k发送至信息处理模块中。

同时，通过无人驾驶模块中激光雷达和毫米波雷达获取当前时刻当前车辆所处周围的道路信息H。当前车辆根据所采集的当前时刻所处周围的道路信息H并利用路径规划模块获取精密的行进路线L。本发明中，无人驾驶路径规划方法记录在中国专利公开号为CN109540159A、名称为“一种快速完备的自动驾驶轨迹规划方法”的文献中，在此不再多阐述。

步骤3：在精密的行进路线L规划完成后，信息处理模块在无人驾驶模式下，根据所处周围的道路信息H和精密的行进路线L以及当前时刻方向盘转角δ_k和节气门开度θ_k，预测出下一时刻车辆节气门开度θ_k+1信息，同时预测下一时刻车辆方向盘转角δ_k+1信息。其中，所述下一时刻车辆方向盘转角δ_k+1信息可根据所处周围的道路信息H和精密的行进路线L进行预测；所述下一时刻车辆节气门开度θ_k+1信息预测方法记录在中国专利公开号号CN105114189A、名称为“基于FPGA实现的电子节气门模型预测控制系统”的文献中。

步骤4：紧接着，信息处理模块将非当前车辆行车速度v_n、初始外倾角β₀、初始前束角γ₀、下一时刻汽车节气门开度θ_k+1和下一时刻方向盘转角δ_k+1发送给目标外倾判断模块和目标前束判断模块中。

步骤5：目标外倾判断模块和目标前束判断模块对接收的信息进行协同处理，协同控制外倾角和前束角，如图3所示，协同控制的具体步骤如下：

步骤(A)：目标外倾判断模块根据非当前车辆行驶速度v_n判断道路等级，匹配关系如上表1所示。基于非当前车辆行驶速度v_n和初始外倾角β₀，根据下式(1)计算出车辆的第一外倾角β₁并作保存：

其中，β₀为车辆的初始外倾角，β₁为根据非当前车辆行驶速度v_n计算得到的车辆第一外倾角，τ为外倾角控制单位，本发明选取0.35°，下同。

目标外倾判断模块将第一外倾角β₁发送给目标前束判断模块中。

步骤(B)：目标前束判断模块接收到第一外倾角β₁后，判断是否需要调整车辆的前束角，若不需要，则目标前束判断模块不工作。若需要调整，则目标前束判断模块根据第一外倾角β₁和初始外倾角β₀、初始前束角γ₀计算出第一前束角γ₁并作保存。第一前束角γ₁的计算公式是：

式(2)为第一外倾角β₁和第一前束角γ₁的匹配关系。

具体是否需要调整车辆的前束角判断法则记录在期刊《汽车实用技术》2020年第4期中，董浩存、田媛所著《车轮外倾角与前束值的设计匹配》。

步骤(C)：目标外倾判断模块根据保存的第一外倾角β₁和下一时刻节气门开度θ_k+1得到第二外倾角β₂并作保存，计算公式是：

目标外倾判断模块将第二外倾角β₂发送给目标前束判断模块。

步骤(D)：目标前束判断模块接收到第二外倾角β₂后，判断是否需要调整车辆前束角，若不需要，则目标前束判断模块不工作；若需要调整，则目标前束判断模块根据第二外倾角β₂和已保存的第一前束角γ₁计算出第二前束角γ₂并作保存：

以式(4)作为第二外倾角β₂和第二前束角γ₂的匹配关系法则。

步骤(E)：在目标外倾判断模块中，目标外倾判断模块根据第二外倾角β₂和下一时刻方向盘转角δ_k+1得到第三外倾角β₃：

其中，下一时刻方向盘转角δ_k+1不区分正负。

目标外倾判断模块将计算得到第三外倾角β₃发送给目标前束判断模块。

步骤(F)：目标前束判断模块在接收到第三外倾角β₃后，判断是否需要调整车辆前轮前束角，若不需要，则目标前束判断模块不工作；若需要调整，则根据第二外倾角β₂，第三外倾角β₃以及第二前束角γ₂计算出第三前束角γ₃，第三前束角γ₃的计算公式如下：

以式(6)作为第三外倾角β₃和第三前束角γ₃的匹配关系法则。

步骤(G)：目标外倾判断模块输出根据下一时刻方向盘转角δ_k+1计算需调整的车辆第三外倾角β₃，第三外倾角β₃输入到外倾控制器中。目标前束判断模块输出根据第三外倾角β₃计算需调整的车辆第三前束角γ₃，第三前束角γ₃输入到前束控制器中。

至此，目标外倾判断模块和目标前束判断模块完成外倾角和前束角的协同控制。

最后，外倾控制器根据目标外倾判断模块输出的第三外倾角β₃指令实时调整车辆的外倾角为β₃。前束控制器根据目标前束判断模块输出的第三前束角γ₃指令实时调整车辆的前束角为γ₃。

Claims (10)

1.一种结合无人驾驶的车辆外倾角和前束角协同控制系统，包括非当前车辆路况识别与获取模块，当前车辆的无人驾驶模块、云端数据库、信息处理模块、外倾角传感器、前束角传感器、方向盘转角传感器、节气门开度传感器、目标前束判断模块以及目标外倾判断模块，其特征是：所述的非当前车辆路况识别与获取模块采集非当前车辆的行车位置P₁和行驶速度v_n并发送到云端数据库中；云端数据库和信息处理模块双向连接，行驶速度v_n发送到信息处理模块中；无人驾驶模块输出当前行车位置P₂、周围的道路信息H和行进路线L至信息处理模块中；外倾角传感器采集当前初始外倾角β₀，前束角传感器采集当前始前束角γ₀，节气门开度传感器获取当前节气门开度θ_k，方向盘转角传感器采集当前方向盘转角δ_k，并将β₀、γ₀、δ_k和θ_k传给信息处理模块；信息处理模块根据行进路线L以及当前方向盘转角δ_k和当前节气门开度θ_k预测到下一时刻方向盘转角δ_k+1和节气门开度θ_k+1，并将行驶速度v_n、当前初始外倾角β₀、当前始前束角γ₀以及下一时刻方向盘转角δ_k+1和节气门开度θ_k+1共同发送到目标前束判断模块以及目标外倾判断模块中；目标前束判断模块和目标外倾判断模块对接收的信息协同处理，目标前束判断模块输出第三前束角γ₃，目标外倾判断模块输出第三外倾角β₃。

2.根据权利要求1所述的结合无人驾驶的车辆外倾角和前束角协同控制系统，其特征是：所述的非当前车辆路况识别与获取模块由第一GPS模块和速度传感器组成，第一GPS模块获取非当前车辆行车位置P₁，速度传感器获取行驶该路面时的行驶速度。

3.根据权利要求1所述的结合无人驾驶的车辆外倾角和前束角协同控制系统，其特征是：所述的无人驾驶模块包括毫米波雷达、激光雷达、第二GPS模块和路径规划模块，第二GPS模块获取当前车辆行车位置P₂，激光雷达与毫米波雷达获取当前车辆在当前时刻所处周围的道路信息H，路径规划规划模块根据道路信息H和行车位置P₂获取行进路线L。

4.一种如权利要求1所述的车辆外倾角和前束角协同控制系统的控制方法，其特征是包括以下步骤：

步骤1)：目标外倾判断模块根据所述的行驶速度v_n和初始外倾角β₀计算出车辆的第一外倾角β₁并作保存，并将第一外倾角β₁发送给目标前束判断模块；

步骤2)：目标前束判断模块判断是否需要调整车辆的前束角，若不需要，则目标前束判断模块不工作，若需要，则目标前束判断模块根据根据第一外倾角β₁、初始外倾角β₀和初始前束角γ₀计算出第一前束角γ₁并作保存；

步骤3)：目标外倾判断模块根据第一外倾角β₁和下一时刻节气门开度θ_k+1计算出第二外倾角β₂并作保存，并将第二外倾角β₂发送给目标前束判断模块；

步骤4)：目标前束判断模块判断是否需要调整车辆前束角，若不需要，则目标前束判断模块不工作；若需要，则目标前束判断模块根据第二外倾角β₂和第一前束角γ₁计算出第二前束角γ₂并作保存；

步骤5)：目标外倾判断模块根据第二外倾角β₂和下一时刻方向盘转角δ_k+1计算出第三外倾角β₃并作保存，并将第三外倾角β₃发送给目标前束判断模块；

步骤6)：目标前束判断模块判断是否需要调整车辆前轮前束角，若不需要，则目标前束判断模块不工作；若需要，则目标前束判断模块根据第二外倾角β₂、第三外倾角β₃以及第二前束角γ₂计算出第三前束角γ₃；

步骤7)：目标前束判断模块输出第三前束角γ₃，目标外倾判断模块输出第三外倾角β₃。

5.根据权利要求4所述的车辆外倾角和前束角协同控制系统的控制方法，其特征是：步骤1)中，所述的第一外倾角

τ为外倾角控制单位。

6.根据权利要求5所述的车辆外倾角和前束角协同控制系统的控制方法，其特征是：步骤2)中，所述的第一前束角

7.根据权利要求6所述的车辆外倾角和前束角协同控制系统的控制方法，其特征是：步骤3)中，所述的第二外倾角

8.根据权利要求7所述的车辆外倾角和前束角协同控制系统的控制方法，其特征是：步骤4)中，所述的第二前束角

9.根据权利要求8所述的车辆外倾角和前束角协同控制系统的控制方法，其特征是：步骤5)中，所述的第三外倾角

10.根据权利要求9所述的车辆外倾角和前束角协同控制系统的控制方法，其特征是：步骤6)中，所述的第三前束角

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