CN114368380A - 一种适应不同载重的自动驾驶半挂卡车横向控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及自动驾驶技术领域，尤其涉及一种适应不同载重的自动驾驶半挂卡车横向控制方法，本发明首先从轴荷传感器信号出发，实现了卡车整车总重的估算，进一步实现半挂卡车在空载、半载、满载状态下的动力学参数估算，从而保证了本发明的载重适应性；此外，本发明采用等效二自由度模型，通过变形转向修正，使卡车在有无挂车下，都能符合二自由度动力学特征，从而实现了半挂车在有无挂车下的横向适应性；最后，本发明采用经典的前馈加反馈的控制方法，将预瞄的前馈输入与基于模型的反馈输入结合，实现了最终的横向控制。

Description

一种适应不同载重的自动驾驶半挂卡车横向控制方法
技术领域
本发明涉及自动驾驶技术领域，尤其涉及一种适应不同载重的自动驾驶半挂卡车横向控制方法。
背景技术
半挂卡车，如图1所示，主要由车头1和半挂拖车2组成，其相比小型车，具有载重随货物变化幅度较大、有无挂车时卡车控制性能不同、整车质量较大、车身响应较慢的特点。其自动驾驶横向控制方法与小型车差别较大。而当前自动驾驶半挂卡车横向控制方法，大多基于PID反馈控制或者基于模型的前馈加反馈的控制方法，来实现卡车的横向控制。基于PID的反馈控制方法具有调参工作量大、对不同卡车的适应性较差的缺点；基于模型的前馈加反馈的控制方法，非常依赖模型的精度，且当前的横向控制模型，对半挂卡车的空载、半载、满载状态以及有无挂车状态的适应性较差。
发明内容
(一)发明目的
当前基于模型的前馈加反馈的控制方法对半挂卡车的空载、半载、满载状态以及有无挂车状态的适应性较差，同一套横向控制模型难以同时满足有无挂车的情况下的横向控制，为解决上述技术问题，本发明提出一种适应不同载重的自动驾驶半挂卡车横向控制方法，可以在半挂卡车的空载、半载、满载状态实现良好的跟踪效果，也可以适应卡车的有无挂车的状态的横向控制。
(二)技术方案
为解决上述问题，本发明提供了一种适应不同载重的自动驾驶半挂卡车横向控制方法，包括如下步骤：
步骤S100，接收卡车轴荷传感器的数据，并估算整车总重和当前的牵引状态；
步骤S200，根据估算的整车总重和当前的牵引状态，将三自由度模型简化为等效的二自由度模型，估算出等效的二自由度动力学模型关键参数；
步骤S300，接收输入的轨迹线参数，输出预瞄点，并计算出预瞄点的横向误差和航向误差及其变化率参数，获取预瞄点状态信息；
步骤S400，将估算的等效的二自由度动力学模型关键参数和预瞄点状态信息，带入到二自由度动力学模型中，计算前馈的控制输出量；
步骤S500，将估算的等效的二自由度动力学模型关键参数和预瞄点状态信息，代入线性二次型控制器中，计算能使预瞄点的横向误差和航向误差取极小的反馈的控制输出量；
步骤S600,将计算出的前馈的控制输出量与反馈的控制方法输出量加和并输出，获得方向盘指令，发送给卡车的线控系统；
步骤S700循环步骤S100至S600，以实现半挂卡车的载重自适应横向控制。
优选的，在步骤S200中，还包括等效二自由度模型中车轴载荷分布计算、车轮侧偏刚度估算、卡车等效二自由度质心位置估算和变形转向修正，具体步骤如下：
步骤S201，对卡车受力情况进行简化，获取卡车车头前轴受到地面的支撑力FZ1和卡车车头后两轴共同受到的地面总支撑力FZ2，具体公式如下：
Figure BDA0003458800730000021
Figure BDA0003458800730000022
其中，g为重力加速度，a1、b1分别为车头质心距离前轴的距离和距离后轴的距离；a2、b2分别为半挂拖车质心距离前轴的距离和距离后轴的距离；c表示半挂拖车与车头的铰接点位置距离车头质心位置的距离；
步骤S202，根据步骤S201中获取的卡车车头前轴受到地面的支撑力FZ1和卡车车头后两轴共同受到的地面总支撑力FZ2，查询卡车轮胎对应的横向、垂向受力特性曲线，并取曲线在零点时的斜率，作为卡车车轮的侧偏刚度；
步骤S203，将步骤S201中的简化的受力关系，进行受力关系等效，计算等效质心距离前轴的距离aN和距离后轴的距离bN，具体公式如下：
Figure BDA0003458800730000023
bN＝(a1+b1)-aN
其中，a1、b1分别为车头质心距离前轴的距离和距离后轴的距离；a2、b2分别为半挂拖车质心距离前轴的距离和距离后轴的距离；c表示半挂拖车与车头的铰接点位置距离车头质心位置的距离；
步骤S204，基于步骤S203中计算的等效质心距离前轴的距离aN和距离后轴的距离bN，进行变形转向校正，得校正后的等效质心距离前轴的距离aNF和距离后轴的距离bNF，具体公式如下：
aNF＝aN-LCor
bNF＝bN+LCor
其中，Lcor为变形转向校正系数，其值通过标定确认。
优选的，所述步骤S100中，还包括车辆稳定行驶状态判断、轴荷信号滤波、轴荷信号学习、轴荷学习重置判断和轴荷信号到整车质量映射的计算。
优选的，所述步骤S300中，还包括预瞄点纵向位置计算、车辆行驶位置预测、预瞄点在轨迹线上的航向角计算和预瞄点状态信息计算过程。
优选的，所述步骤S400中，还包括车辆稳定性因数计算和车辆转弯半径与方向盘转角映射计算。
优选的，所述步骤S500中，还包括线性二次型控制的状态方程搭建、状态矩阵除零保护、里卡蒂方程的迭代求解和最优反馈输出计算的过程。
优选的，所述步骤S600中，还包括转向零位修正、转向死区修正和输出平滑限制处理。
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
本发明从轴荷传感器信号出发，实现了卡车整车总重的估算，为半挂卡车在空载、半载、满载状态下的动力学参数估计，从而保证了本发明的载重适应性；此外，本发明采用等效二自由度模型，通过变形转向修正，使卡车在有无挂车下，都能符合二自由度动力学特征，从而实现了半挂车在有无挂车下的横向适应性；最后，本发明采用经典的前馈加反馈的控制方法，将预瞄的前馈输入与基于模型的反馈输入结合，实现了最终的横向控制；本发明既可以在半挂卡车的空载、半载、满载状态实现良好的跟踪效果，也可以适应卡车的有无挂车的状态的横向控制。
附图说明
图1为本发半挂卡车模型；
图2为本发明流程示意图图；
图3为本发明卡车三自由度模型简化为等效的二自由度模型图；
图4为本发明卡车受力情况简化图；
图5为本发明图4中受力关系等效图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
如图2所示，本发明提出的一种适应不同载重的自动驾驶半挂卡车横向控制方法，包括步骤：步骤S100，接收卡车轴荷传感器的数据，并估算整车总重和当前的牵引状态；步骤S200，根据估算的整车总重和当前的牵引状态，将三自由度模型简化为等效的二自由度模型，估算出等效的二自由度动力学模型关键参数；其中，将三自由度模型简化为等效的二自由度模型，首先将半挂卡车的半挂拖车2等效成配重块3(如图3所示)，其次基于实车数据，对其进行变形转向效应修正。步骤S300，接收输入的轨迹线参数，输出预瞄点，并计算出预瞄点的横向误差和航向误差及其变化率参数，获取预瞄点状态信息；步骤S400，将估算的等效的二自由度动力学模型关键参数和预瞄点状态信息，带入二自由度动力学模型中，计算前馈的控制输出量；步骤S500，根据估算的等效的二自由度动力学模型关键参数和预瞄点状态信息，代入线性二次型控制器中，计算能使预瞄点的横向误差和航向误差取极小的反馈的控制输出量；步骤S600,将计算出的前馈的控制输出量与反馈的控制方法输出量加和并输出，获得方向盘指令，发送给卡车的线控系统；步骤S700循环步骤S100至S600，以实现半挂卡车的载重自适应横向控制。
在步骤S200中，还包括等效二自由度模型中车轴载荷分布计算、车轮侧偏刚度估算、卡车等效二自由度质心位置估算和变形转向修正，具体步骤如下：
步骤S201，将卡车的受力情况简化成如图4所示，图中，O1、O2分别为半挂卡车的车头质心位置和半挂拖车的质心位置；a1、b1分别为车头质心距离前轴的距离和距离后轴的距离；a2、b2分别为半挂拖车质心距离前轴的距离和距离后轴的距离；c表示半挂拖车与车头的铰接点位置距离车头质心位置的距离；FZ1、FZ2、FZ3分别表示卡车车头前轴受到地面的支撑力、卡车车头后两轴共同受到的地面总支撑力、半挂拖车最后两轴共同受到的总地面支撑力；G1、G2、FA分别表示半挂卡车车头的重力、半挂拖车的重力、铰接点位置垂向的作用力与反作用力。
则基于牛顿三定律可以得到卡车车头前轴受到地面的支撑力FZ1和卡车车头后两轴共同受到的地面总支撑力FZ2：
Figure BDA0003458800730000051
Figure BDA0003458800730000052
其中，g为重力加速度；G1＝m1g；G2＝m2g；
Figure BDA0003458800730000053
步骤S202，根据步骤S201中获取的卡车车头前轴受到地面的支撑力FZ1和卡车车头后两轴共同受到的地面总支撑力FZ2，查询卡车轮胎对应的横向、垂向受力特性曲线，并取曲线在零点时的斜率，作为卡车车轮的侧偏刚度；
步骤S203，将S201中的简化卡车受力关系，等效为如图5所示的受力关系，图中，ON为将三自由度模型转化为二自由度模型后的等效质心位置；aN、bN分别为等效质心ON距离前轴的距离和距离后轴的距离；GN为三自由度模型转化为二自由度模型后的等效重力。
则基于牛顿第一定律与牛顿第二定律，可以得到等效质心ON距离前轴的距离aN和距离后轴的距离bN：
Figure BDA0003458800730000054
bN＝(a1+b1)-aN
GN＝mNg
其中，a1、b1分别为车头质心距离前轴的距离和距离后轴的距离；a2、b2分别为半挂拖车质心距离前轴的距离和距离后轴的距离；c表示半挂拖车与车头的铰接点位置距离车头质心位置的距离；
步骤S204，基于S203中计算的等效质心ON距离前轴的距离aN和距离后轴的距离bN进行变形转向校正，得到校正后的等效质心ON距离前轴的距离aNF和距离后轴的距离bNF：
aNF＝aN-LCor
bNF＝bN+LCor
其中，Lcor为变形转向校正系数，其值通过标定确认。
在一个优选的实施例中，所述步骤S100中，还包括车辆稳定行驶状态判断、轴荷信号滤波、轴荷信号学习、轴荷学习重置判断和轴荷信号到整车质量映射的计算，所述步骤S300中，还包括预瞄点纵向位置计算、车辆行驶位置预测、预瞄点在轨迹线上的航向角计算和预瞄点状态信息计算过程，所述步骤S400中，还包括车辆稳定性因数计算和车辆转弯半径与方向盘转角映射计算，所述步骤S500中，还包括线性二次型控制的状态方程搭建、状态矩阵除零保护、里卡蒂方程的迭代求解和最优反馈输出计算的过程，所述步骤S600中，还包括转向零位修正、转向死区修正和输出平滑限制处理。
技术效果：
首先，本发明从轴荷传感器信号出发，实现了卡车整车总重的估算，为半挂卡车在空载、半载、满载状态下的动力学参数估计，从而保证了本发明的载重适应性；此外，本发明采用等效二自由度模型，通过变形转向修正，使卡车在有无挂车下，都能符合二自由度动力学特征，从而实现了半挂车在有无挂车下的横向适应性；最后，本发明采用经典的前馈加反馈的控制方法，将预瞄的前馈输入与基于模型的反馈输入结合，实现了最终的横向控制。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (7)

1.一种适应不同载重的自动驾驶半挂卡车横向控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S100，接收卡车轴荷传感器的数据，并估算整车总重和当前的牵引状态；
步骤S200，根据估算的整车总重和当前的牵引状态，将三自由度模型简化为等效的二自由度模型，估算出等效的二自由度动力学模型关键参数；
步骤S300，接收输入的轨迹线参数，输出预瞄点，并计算出预瞄点的横向误差和航向误差及其变化率参数，获取预瞄点状态信息；
步骤S400，将估算的等效的二自由度动力学模型关键参数和预瞄点状态信息，带入二自由度动力学模型中，计算前馈的控制输出量；
步骤S500，将估算的等效的二自由度动力学模型关键参数和预瞄点状态信息，代入线性二次型控制器中，计算能使预瞄点的横向误差和航向误差取极小的反馈的控制输出量；
步骤S600,将计算出的前馈的控制输出量与反馈的控制方法输出量加和并输出，获得方向盘指令，发送给卡车的线控系统；
步骤S700循环步骤S100至S600，以实现半挂卡车的载重自适应横向控制。
2.根据权利要求1所述的一种适应不同载重的自动驾驶半挂卡车横向控制方法，其特征在于，在步骤S200中，还包括等效二自由度模型中车轴载荷分布计算、车轮侧偏刚度估算、卡车等效二自由度质心位置估算和变形转向修正，具体步骤如下：
步骤S201，对卡车受力情况进行简化，获取卡车车头前轴受到地面的支撑力FZ1和卡车车头后两轴共同受到的地面总支撑力FZ2，具体公式如下：
Figure FDA0003458800720000011
Figure FDA0003458800720000012
其中，g为重力加速度，a1、b1分别为车头质心距离前轴的距离和距离后轴的距离；a2、b2分别为半挂拖车质心距离前轴的距离和距离后轴的距离；c表示半挂拖车与车头的铰接点位置距离车头质心位置的距离；
步骤S202，根据步骤S201中获取的卡车车头前轴受到地面的支撑力FZ1和卡车车头后两轴共同受到的地面总支撑力FZ2，查询卡车轮胎对应的横向、垂向受力特性曲线，并取曲线在零点时的斜率，作为卡车车轮的侧偏刚度；
步骤S203，将步骤S201中的简化的受力关系，进行等效二自由度动力学模型的受力关系分析，计算等效质心距离前轴的距离aN和距离后轴的距离bN，具体公式如下：
Figure FDA0003458800720000021
bN＝(a1+b1)-aN
其中，a1、b1分别为车头质心距离前轴的距离和距离后轴的距离；a2、b2分别为半挂拖车质心距离前轴的距离和距离后轴的距离；c表示半挂拖车与车头的铰接点位置距离车头质心位置的距离；
步骤S204，基于步骤S203中计算的等效质心距离前轴的距离aN和距离后轴的距离bN，进行变形转向校正，得校正后的等效质心距离前轴的距离aNF和距离后轴的距离bNF，具体公式如下：
aNF＝aN-LCor
bNF＝bN+LCor
其中，Lcor为变形转向校正系数，其值通过标定确认。
3.根据权利要求1所述的一种适应不同载重的自动驾驶半挂卡车横向控制方法，其特征在于，所述步骤S100中，还包括车辆稳定行驶状态判断、轴荷信号滤波、轴荷信号学习、轴荷学习重置判断和轴荷信号到整车质量映射的计算。
4.根据权利要求1所述的一种适应不同载重的自动驾驶半挂卡车横向控制方法，其特征在于，所述步骤S300中，还包括预瞄点纵向位置计算、车辆行驶位置预测、预瞄点在轨迹线上的航向角计算和预瞄点状态信息计算过程。
5.根据权利要求1所述的一种适应不同载重的自动驾驶半挂卡车横向控制方法，其特征在于，所述步骤S400中，还包括车辆稳定性因数计算和车辆转弯半径与方向盘转角映射计算。
6.根据权利要求1所述的一种适应不同载重的自动驾驶半挂卡车横向控制方法，其特征在于，所述步骤S500中，还包括线性二次型控制的状态方程搭建、状态矩阵除零保护、里卡蒂方程的迭代求解和最优反馈输出计算的过程。
7.根据权利要求1所述的一种适应不同载重的自动驾驶半挂卡车横向控制方法，其特征在于，所述步骤S600中，还包括转向零位修正、转向死区修正和输出平滑限制处理。
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