CN114954432A - 一种车辆路径跟踪与车身姿态协同控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种车辆路径跟踪与车身姿态协同控制方法，具体包括以下步骤：步骤1、智能车辆开启路径跟踪与车身姿态协同控制器；步骤2、开启车辆车身姿态监测装置，实时监测车辆车身姿态，步骤3、根据步骤2的实时监测结果，智能车辆采取相应的控制策略，并对协同控制策略进行评价，更新车辆状态，进一步对车辆进行相应控制，直至路径跟踪功能结束。本发明设计了相应的工况行驶控制逻辑，提高了智能车辆的行驶安全性和乘坐舒适性。

Description

一种车辆路径跟踪与车身姿态协同控制方法

技术领域

本发明涉及智能汽车道路行驶安全技术领域，尤其涉及智能车辆的路径跟踪与车身姿态协调控制方法。

背景技术

随着汽车新四化的发展，智能汽车成为当下和今后的研究热点。智能汽车具有驾驶行为可预测、减少交通事故发生率、提高通勤效率等诸多优点，在未来智能交通方法中将有广泛的应用。运动控制作为智能汽车三大核心关键技术之一，运动控制的好坏直接影响路径跟踪的精度和行驶品质。智能汽车的路径跟踪研究旨在保证行驶安全性、乘坐舒适性的前提下，通过控制转向方法，使车辆按照预先规划的路径行驶。路径跟踪的目标是通过消除车辆在行驶过程中实际位置与期望位置的角度偏差与横向偏差，从而实现路径的准确跟踪。

但是目前大部分智能车辆的路径跟踪算法策略还只是单纯的考虑路径跟踪精度，没有考虑到在保证跟随精度的过程中车身姿态的变化对乘员舒适性的影响以及车身姿态进一步恶化后可能带来车辆侧翻的后果，忽略了垂向车身姿态与横向路径跟踪精度之间的相互耦合与制约关系。

路径跟踪的目的是控制车辆准确地沿着期望路径行驶，即尽可能降低车辆在路径跟踪过程中的行驶偏差。目前基于路径跟踪控制优化方法大多采用优化预瞄距离来实现，但是，一般情况将预瞄距离通过数学模型表达或者设计预瞄距离自适应的策略，一定程度上提升了路径跟踪的效果，但是该技术路线还存在局限性，预瞄距离的选取收到多种因素的影响，本发明采取控制前轮转角的思路，来对路径跟踪精度的补偿优化。

在实际应用场景中，智能车辆在实现路径跟踪功能的同时，还要保证车辆自身的稳定性，特别是受到外界干扰时，对车辆横向稳定性有着比较大的影响，横向运动控制系统要能及时地纠正车辆的姿态，以确保车辆的行驶安全性。

发明内容

基于上述现有技术的不足，本发明提出了一种路径跟踪与车身姿态协同控制方法，用于车辆在行驶过程中综合考量跟踪精度与乘坐舒适性、行驶安全性，具体包括以下步骤：

步骤1、智能车辆开启路径跟踪于车身姿态协同控制器，且期望路径为一条已知坐标的曲线；

步骤2、开启车辆状态监测装置，实时监测车辆的路径跟踪精度、操纵稳定性度量值、舒适度度量值；智能车辆的行驶情景分为三大类：1.路径跟踪精度良好；2.路径跟踪精度不够，且有换道条件；3.路径跟踪精度不够，且无换道条件；具体的八种行驶情景如下：

8)当路径跟踪精度、操纵稳定性度量值、舒适性度量值都低于相应设定的阈值时，车辆正常行驶，对车辆正常路径跟踪；

9)当路径跟踪精度低于设定阈值，但操纵稳定性和舒适性度量值有不满足设定阈值或者都不满足设定阈值时，对车辆进行车身姿态补偿；

10)当路径跟踪精度不满足设定阈值且有换道条件、无侧翻危险时，车辆的操纵稳定性和舒适性优先，对车辆进行车身姿态补偿；

11)当路径跟踪精度不满足设定阈值且有换道条件，但变道有侧翻危险时，车辆的安全性优先，在变道前先对车辆进行减速纠正，纠正成功则变道且对车辆进行车身姿态补偿；

12)纠正失败则无法变道，此时自动紧急制动系统AEB启动并且预警、提醒驾驶员介入；

13)当路径跟踪精度不满足设定阈值且没有换道条件时，对车辆进行路径跟踪补偿，路径跟踪补偿后操纵稳定性没有恶化，则按照此逻辑控制车辆；

14)当路径跟踪精度不满足设定阈值且没有换道条件时，对车辆进行路径跟踪补偿，路径跟踪补偿后，操纵稳定性恶化，此时还需要对车辆进行车身姿态补偿控制；

15)当车身姿态补偿和路径跟踪精度补偿控制都无法有效纠正车辆状态时，需要紧急制动减速、预警、驾驶员介入操作等控制；

步骤3、根据步骤2的八种行驶情景实时监测结果，智能车辆采取相应的控制策略，并对协同控制策略进行评价，更新车辆状态，进一步对车辆进行相应控制，直至路径跟踪功能结束。

进一步，第1)种行驶情景实时监测结果，智能车辆采取相应的控制策略，通过以下步骤实现：

步骤2A-1、基于二自由度车辆动力学方程，建立二自由度车辆动力学模型，根据轮胎的侧偏角与车辆质心侧偏角、横摆角速度及质心距前后轴的距离等参数关系，结合牛顿第二定律进一步整理，得到线性二自由度模型的运动微分方程为：

式中m——整车质量；

C_f、Cr——为前后轮线性侧偏刚度；

l_f、l_r——为车辆质心距前后轴的距离；

I_Z——整车绕Z轴的转动惯量；

δ_f——前轮转角；

V_x——纵向车速；

β——质心侧偏角；

r——横摆角速度；

步骤2A-2：预瞄误差系统的设计；路径跟踪技术是指智能车辆在实际行驶过程中，通过传感器获取相应的道路信息，运用合适的控制算法控制车辆的行驶方向，从而使得车辆在行驶过程中不偏离设定的轨迹，同时还能保证行驶过程中的安全性；预瞄误差模型的输入包括了车辆动力学模型的输出质心侧偏角β和横摆角速度r，以及外部输入道路曲率ρ和预瞄距离x_e，预瞄误差模型的输出为横向位移偏差y_e和横向方位偏差e，车辆的预瞄误差模型公式：

式中y_e——横向位移偏差；

v_y——横向速度；

v_x——纵向车速；

e——横向方位偏差；

r——横摆角速度；

ρ——道路曲率；

x_e——预瞄距离；

步骤2A-3：在对横向位移偏差y_e和横向方位偏差e进行权重分配之后作为综合偏差E；

步骤2A-4：将步骤2A-3得到的综合偏差E输入到PID控制器中，经过一系列的计算之后输出了车辆的前轮转角δ_f作为车辆动力学模型的控制量，以此形成了路径跟踪横向运动的闭环控制系统，实现路径跟踪功能。

进一步，第2)、3)、4)种行驶情景实时监测结果，对车辆进行车身姿态补偿，削弱车辆的侧向加速度，纠正车辆的横向运动，通过以下步骤实现：

步骤2B-1：主要通过控制车辆侧倾来改善车身姿态，侧倾发生后会产生侧倾力矩，侧倾力矩由三部分组成：1.悬挂质量离心力引起的侧倾力矩M_ΦrⅠ；2.悬挂质量重力引起的侧倾力矩M_ΦrⅡ；3.非悬挂质量的离心力引起的侧倾力矩M_ΦrⅢ；4.此外，侧倾时垂直载荷在左、右侧车轮载荷发生转移，会产生载荷转移力矩M_ZF、M_ZR；当车身处于侧倾状态时，左右两侧悬架在当前状态下若能产生额外方向相反的力Δf，可以形成抗侧倾力矩M_af，可抑制车辆的侧倾；

悬挂质量离心力引起的侧倾力矩M_ΦrⅠ为：

M_ΦrⅠ＝m_s·a_y·h

悬挂质量重力引起的侧倾力矩M_ΦrⅡ为：

M_ΦrⅡ＝m_s·g·e≈m_s·g·h_g·φ

非悬挂质量的离心力引起的侧倾力矩M_ΦrⅢ为:

M_ΦrⅢ＝-F_uy(h₀-r)

侧倾时垂直载荷在左、右侧车轮载荷发生转移，产生载荷转移力矩M_ZF、M_ZR为：

M_ZF＝(F_rRF-F_rLF)·B/2

M_ZR＝(F_rRR-F_rLR)·B/2

对车身纵向中心线取矩，即：

M_ΦrⅠ+M_ΦrⅡ+M_ΦrⅢ+M_ZF+M_ZR＝M_af

式中m_s——悬挂质量；

a_y——侧向加速度；

h——悬挂质量的质心到侧倾轴线的距离；

g——重力加速度；

h_g——悬挂质量的质心到地面的距离；

φ——车身侧倾角；

F_uy——非悬挂质量产生的离心力；

h₀——侧倾中心距地面的距离；

r——车轮半径；

F_rRF、F_rLF——侧倾后前轴左右车轮垂直载荷；

F_rRR、F_rLR——侧倾后后轴左右车轮垂直载荷；

B——轮距；

步骤2B-2：通过在车身质心处设置三轴陀螺仪，从而获取车身质心处的垂向加速度、侧倾角加速度以及侧倾角信号发送给控制器，计算得出车辆当前的侧倾力矩的数值，并通过主动悬架上的作动器提供给车辆反向的力矩以抵抗车辆的侧倾运动，通过以上步骤实现对第2)、3)、4)种行驶情景的监测和控制。

进一步，第5)、8)种行驶情景实时监测结果，智能车辆采取相应的控制策略，通过以下步骤实现：

步骤2C、紧急制动控制方法，在路径跟踪补偿和车身姿态补偿未果的情况下，自动紧急制动系统AEB启动，降低车速，使车辆状态可控，AEB系统主要包括：信息采集模块、控制模块、执行模块三个部分，通过前置摄像头、毫米波雷达或者激光雷达等装置识别车辆前方障碍物，随后将并将本车与前车行驶状态信息或者前方障碍物或者行人的信息实时传输至AEB系统的控制模块，控制模块根据车辆的运动状态信息，计算并判断出本车的危险等级，当系统判定本车与前方车辆存在碰撞风险时，以灯光、声音等方式向驾驶员发出警告，若驾驶员未采取有效措施，此时系统会自动控制车辆进行紧急制动。

进一步，第6)种行驶情景实时监测结果，智能车辆采取相应的控制策略，通过以下步骤实现：

步骤2D、路径跟踪补偿控制方法，基于PI控制理论，综合考虑横向位置偏差、方向偏差、和道路曲率设计转角补偿控制规律如下：

式中δ_comp为前轮转角补偿量；R₁为横向位置偏差比例系数；Q₁(k(t))为横向偏差积分函数；R₂为方向偏差比例系数；Q₂(k(t))为横向偏差比例系数；k(t)为当前时刻期望路径道路曲率；e_y为当前时刻车辆质心处的实际横向位置偏差；

为当前时刻车辆质心处的实际方向偏差；

其中为减小大曲率下系统跟踪目标路径的横向偏差超调量和方向偏差超调量，将积分函数Q1(k(t))、Q₂(k(t))设定为道路曲率的函数：

式中，ω₁、ω₂为横向位置、方向偏差积分系数；

R₁、ω₁主要表征系统横向偏差项的前轮转角补偿量，R₂、ω₂主要表征系统方向偏差项的前轮转角补偿量，为了使补偿控制器能够很好的适应系统参数的变化及外界环境的干扰，补偿控制器中的系统参数R₁、R₂、ω₁、ω₂将基于模糊控制的思想，分别基于系统横向偏差和方向偏差设计两个不同的模糊控制器。以横向偏差e_y和横向偏差变化率

为输入，横向偏差比例系数R₁和积分系数ω₁为输出设计横向偏差模糊控制器；以方向偏差

和方向偏差变化率

为输入，以方向偏差比例系数R₂和积分系数ω₂为输出设计方向偏差模糊控制器，采用两输入两输出分别得到R₁、ω₁；R₂、ω₂的变化规律，对其进行优化；

综上，转角补偿控制规律为：

所以，可得路径跟踪补偿控制的前轮转角控制规律：

进一步，第7)种行驶情景实时监测结果，智能车辆采取相应的控制策略，通过以下步骤实现：

步骤2E、对车辆进行跟踪精度和车身姿态的同时补偿，其中跟踪精度的补偿通过第6)种行驶情景的控制策略实现；车身姿态补偿通过，第2)、3)、4)种行驶情景的控制策略实现。

进一步，还包括，在协同控制器补偿控制之后，再次对车辆的状态进行监测和判定，对补偿控制效果进行实时评价，补偿成功则继续保持协同控制，反之则驾驶员介入，接管车辆的操控，避免危险的发生。

本发明具有以下技术效果：

1、本发明通过对行驶过程中车辆跟踪精度和车身姿态的定性参数进行实时监测，实时获取车辆当前的状态。

2、本发明实现车辆不同行驶情景下对车辆实施不同的控制策略，即车辆状态良好的时，对车辆实施正常路径跟踪控制策略；当车辆状态恶化时，对车辆进行路径跟踪与车身姿态协同控制策略。

3、本发明通过对路径跟踪精度和车身姿态的协同控制，在保证车辆平稳行驶的基础上提高了路径跟踪的效果，实现跟踪精度和车身稳定性的综合提升。

附图说明

图1智能车辆道路行驶情景图；a)路径跟踪精度良好；b)路径跟踪精度不足且有换道条件；c)路径跟踪精度不足且无换道条件；

图2是车辆二自由度动力学模型图；

图3是预瞄误差模型图；

图4是侧倾力矩产生的原理图；

图5是车身姿态补偿效果图；

图6是路径跟踪(方向偏差和纵向位置)补偿效果图；

图7是路径跟踪(横向偏差和纵向位置)补偿效果图；

图8是车辆路径跟踪与车身姿态协同控制逻辑路线图。

具体实施方式

智能车辆的行驶情景主要分为三大类：1)路径跟踪精度良好；2)路径跟踪精度不够，且有换道条件；3)路径跟踪精度不够，且无换道条件。如图1所示。

步骤1、智能车辆开启路径跟踪与车身姿态协同控制器，其期望路径为一条已知坐标的曲线；

步骤2、开启车辆状态监测装置，实时监测车辆的路径跟踪精度、操纵稳定性度量值、舒适度度量值。车辆的具体行驶情景如下：

当路径跟踪精度、操纵稳定性度量值、舒适性度量值都低于相应设定的阈值时，车辆正常行驶，对车辆正常路径跟踪；当路径跟踪精度低于设定阈值，但操纵稳定性和舒适性度量值都不满足设定阈值时，对车辆进行车身姿态补偿；当路径跟踪精度不满足设定阈值且有换道条件时，车辆的操纵稳定性和舒适性优先，对车辆进行车身姿态补偿；当路径跟踪精度不满足设定阈值且没有换道条件时，对车辆进行路径跟踪补偿，路径跟踪补偿后操纵稳定性没有恶化，则按照此逻辑控制车辆，路径跟踪补偿后，操纵稳定性恶化，此时还需要对车辆进行车身姿态补偿控制；当车身姿态补偿和路径跟踪精度补偿控制都无法有效纠正车辆状态时，需要减速、预警、驾驶员介入操作等控制。

步骤2A-1、基于二自由度车辆动力学方程，建立二自由度车辆动力学模型。车辆二自由度动力学模型图如图2所示：

根据轮胎的侧偏角与车辆质心侧偏角、横摆角速度及质心距前后轴的距离等参数关系，结合牛顿第二定律进一步整理，得到线性二自由度模型的运动微分方程为：

式中m——整车质量；

C_f、Cr——为前后轮线性侧偏刚度；

l_f、l_r——为车辆质心距前后轴的距离；

I_Z——整车绕Z轴的转动惯量；

δ_f——前轮转角；

V_x——纵向车速；

β——质心侧偏角；

r——横摆角速度；

步骤2A-2：预瞄误差系统的设计；路径跟踪技术是指智能车辆在实际行驶过程中，通过传感器获取相应的道路信息，运用合适的控制算法控制车辆的行驶方向，从而使得车辆在行驶过程中不偏离设定的轨迹，同时还能保证行驶过程中的安全性。预瞄误差模型的输入包括了车辆动力学模型的输出质心侧偏角和横摆角速度，以及外部输入道路曲率ρ和预瞄距离x_e，预瞄误差模型的输出为横向位移偏差y_e和横向方位偏差e，预瞄误差模型图如图3所示：

车辆的预瞄误差模型公式：

式中y_e——横向位移偏差；

v_y——横向速度；

v_x——纵向车速；

e——横向方位偏差；

r——横摆角速度；

ρ——道路曲率；

x_e——预瞄距离；

步骤2A-3：再对横向位移偏差y_e和横向方位偏差e进行权重分配之后作为综合误差；

步骤2A-4：将步骤2-3得到的综合偏差输入到PID控制器中，经过一系列的计算之后输出了车辆的前轮转角δ_f作为车辆动力学模型的控制量，以此形成了路径跟踪横向运动的闭环控制系统,实现路径跟踪功能。

步骤2B-1：本发明主要通过控制车辆侧倾来改善车身姿态。侧倾发生后会产生侧倾力矩，侧倾力矩由三部分组成：1、悬挂质量离心力引起的侧倾力矩M_ΦrⅠ；2、悬挂质量重力引起的侧倾力矩M_ΦrⅡ；3、非悬挂质量的离心力引起的侧倾力矩M_ΦrⅢ。4、此外，侧倾时垂直载荷在左、右侧车轮载荷发生转移，会产生载荷转移力矩M_ZF、M_ZR。侧倾产生的示意图，如图4所示。当车身处于侧倾状态时，左右两侧悬架在当前状态下若能产生额外方向相反的力Δf，可以形成抗侧倾力矩M_af，可抑制车辆侧倾。

悬挂质量离心力引起的侧倾力矩M_ΦrⅠ为：

M_ΦrⅠ＝m_s·a_y·h

悬挂质量重力引起的侧倾力矩M_ΦrⅡ为：

M_ΦrⅡ＝m_s·g·e≈m_s·g·h_g·φ

非悬挂质量的离心力引起的侧倾力矩M_ΦrⅢ为:

M_ΦrⅢ＝-F_uy(h₀-r)

侧倾时垂直载荷在左、右侧车轮载荷发生转移，产生载荷转移力矩M_ZF、M_ZR为：

M_ZF＝(F_rRF-F_rLF)·B/2

M_ZR＝(F_rRR-F_rLR)·B/2

对车身纵向中心线取矩，即：

M_ΦrⅠ+M_ΦrⅡ+M_ΦrⅢ+M_ZF+M_ZR＝M_af

式中m_s——悬挂质量；

a_y——侧向加速度；

h——悬挂质量的质心到侧倾轴线的距离；

g——重力加速度；

h_g——悬挂质量的质心到地面的距离；

φ——车身侧倾角；

F_uy——非悬挂质量产生的离心力；

h₀——侧倾中心距地面的距离；

r——车轮半径；

F_rRF、F_rLF——侧倾后前轴左右车轮垂直载荷；

F_rRR、F_rLR——侧倾后后轴左右车轮垂直载荷；

B——轮距；

步骤2B-2：本发明通过在车身质心处设置三轴陀螺仪，从而获取车身质心处的垂向加速度、侧倾角加速度以及侧倾角信号，发送给控制器，计算得出车辆当前的侧倾力矩的数值，并通过主动悬架上的作动器提供给车辆反向的力矩以抵抗车辆的侧倾运动。

步骤2C、路径跟踪补偿控制方法。基于PI控制理论，综合考虑横向位置偏差、方向偏差、和道路曲率设计转角补偿控制规律如下：

式中δ_comp为前轮转角补偿量；R₁为横向位置偏差比例系数；Q1(k(t))为横向偏差积分函数；R₂为方向偏差比例系数；Q₂(k(t))为横向偏差比例系数；K为当前时刻期望路径道路曲率；e_y为当前时刻车辆质心处的实际横向位置偏差；

为当前时刻车辆质心处的实际方向偏差。

其中为减小大曲率下系统跟踪目标路径的横向偏差超调量和方向偏差超调量，将积分函数Q1(k(t))、Q₂(k(t))设定为道路曲率的函数：

式中，ω₁、ω₂为横向位置、方向偏差积分系数。

R₁、ω₁主要表征系统横向偏差项的前轮转角补偿量，R₂、ω₂主要表征系统方向偏差项的前轮转角补偿量，为了使补偿控制器能够很好的适应系统参数的变化及外界环境的干扰，补偿控制器中的系统参数R₁、R₂、ω₁、ω₂将基于模糊控制的思想，分别基于系统横向偏差和方向偏差设计两个不同的模糊控制器。以横向偏差e_y和横向偏差变化率

为输入，横向偏差比例系数R₁和积分系数ω₁为输出设计横向偏差模糊控制器；以方向偏差

和方向偏差变化率

为输入，以方向偏差比例系数R₂和积分系数ω₂为输出设计方向偏差模糊控制器，采用两输入两输出分别得到R₁、ω₁；R₂、ω₂的变化规律，对其进行优化。

综上，转角补偿控制规律为：

所以，可得路径跟踪补偿控制的前轮转角控制规律：

步骤2D、紧急制动控制方法。在路径跟踪补偿和车身姿态补偿未果的情况下，自动紧急制动系统(AEB)启动，降低车速，使车辆状态可控。AEB系统主要包括：信息采集模块、控制模块、执行模块三个部分。通过前置摄像头、毫米波雷达或者激光雷达等装置识别车辆前方障碍物，随后将并将本车与前车行驶状态信息或者前方障碍物或者行人的信息实时传输至AEB系统的控制模块，控制模块根据车辆的运动状态信息，计算并判断出本车的危险等级。当系统判定本车与前方车辆存在碰撞风险时，以灯光、声音等方式向驾驶员发出警告，若驾驶员未采取有效措施，此时系统会自动控制车辆进行紧急制动。

在紧急制动过程中，执行模块中防抱死制动系统作为智能汽车纵向运动控制的关键子系统之一，同样起到这至关重要的作用。本发明选取液压式ABS为研究对象，在原有ABS系统理论基础上，建立了液压式ABS动力学模型及控制模型，最终得到ABS运动方程。

基于牛顿第二运动定律，忽略车轮滚动阻力与空气阻力，得到车轮运动方程、车辆运动方程以及车轮纵向摩擦力方程如下：

F_x＝μF_z

式中I_w、ω_w、μ、R、F_x、F_z和T_b分别为车轮转动惯量、车轮角速度、轮胎附着系数、车轮半径、车轮垂直载荷、车轮纵向摩擦力以及车轮制动力矩。其中轮胎附着系数与车轮滑移率之间存在一定的非线性关系，本文采用的Dugoff轮胎模型的轮胎附着系数和滑移率之间的关系。

可推导出纵向附着系数/滑移率双线性曲线数学表达式：

式中S₀为对应纵向附着系数峰值处车辆滑移率，μ_h、μ_g分别指轮胎峰值纵向附着系数和车轮完全抱死(滑移率为1)时车轮纵向附着系数。

在实际车辆制动过程中，地面制动力矩由制动器制动力矩决定，但受到地面附着系数制约，当制动力矩大于最大地面制动力矩时，车轮出现抱死拖滑现象，造成车速与轮速的实际不平等，即滑移现象。则车辆纵向滑移率可表示为：

式中V_car，V_w分别为车速，车轮行驶速度。其中V_w＝ω_w·R。

由滑移率-纵向附着系数关系可知，局部工况下轮胎附着系数变化率和滑移率变化率之间呈线性相关，因此令：

式中k_μ-s为关联系数，基于轮胎附着系数与车轮滑移率之间的关系曲线可知，k_μ-s在不同情况下正负不定。

进一步推导出轮胎附着系数变化率与车轮转角加速度关系如下：

根据ABS工作原理可知，制动系统通过实时调节压力调节器(电磁阀)对系统滑移率进行控制，使之保持在最优滑移率附近。因此系统对应制动力矩的变化率与ABS结构中流体流速成正比，且液体流速与电磁阀的开度成正比，可以得出制动力矩变化率与控制阀命令速率成正比。此外需要指出的是，制动力矩变化率与控制阀命令速率并非线性相关，而是单调相关，即系统压强对流体的偏导数正相关，即

在此基础上设计ABS控制器，本发明基于Choi的ABS控制相关理论，通过对车轮目标转角的跟踪以获得最佳的滑移率，考虑积分控制算法对时滞ABS系统存在补偿作用，对后续ABS时滞稳定性研究存在一定程度干扰，因此本发明选择比例微分(ProportionDifferentiation，PD)控制算法，其具体表达式如下：

综合上述公式，得到ABS运动方程如下：

获得最佳滑移率后从而得到每个制动轮缸上期望的制动压力，稳定可靠的使车辆减速，恢复稳定可控。

步骤3、根据步骤2的实时监测结果，智能车辆采取相应的控制策略，有效的干预车辆的行驶状态，提高智能车辆行驶的安全性、操纵稳定性和平顺性，直到路径跟踪功能结束。

图4是侧倾力矩产生的原理图；图5是车身姿态补偿效果图；图6-7是路径跟踪补偿效果图；图8是车辆路径跟踪与车身姿态协同控制逻辑路线图。

Claims (7)

1.一种车辆路径跟踪与车身姿态协同控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、智能车辆开启路径跟踪于车身姿态协同控制器，且期望路径为一条已知坐标的曲线；

步骤2、开启车辆状态监测装置，实时监测车辆的路径跟踪精度、操纵稳定性度量值、舒适度度量值；智能车辆的行驶情景分为三大类：1.路径跟踪精度良好；2.路径跟踪精度不够，且有换道条件；3.路径跟踪精度不够，且无换道条件；具体的八种行驶情景如下：

1)当路径跟踪精度、操纵稳定性度量值、舒适性度量值都低于相应设定的阈值时，车辆正常行驶，对车辆正常路径跟踪；

2)当路径跟踪精度低于设定阈值，但操纵稳定性和舒适性度量值有不满足设定阈值或者都不满足设定阈值时，对车辆进行车身姿态补偿；

3)当路径跟踪精度不满足设定阈值且有换道条件、无侧翻危险时，车辆的操纵稳定性和舒适性优先，对车辆进行车身姿态补偿；

4)当路径跟踪精度不满足设定阈值且有换道条件，但变道有侧翻危险时，车辆的安全性优先，在变道前先对车辆进行减速纠正，纠正成功则变道且对车辆进行车身姿态补偿；

5)纠正失败则无法变道，此时自动紧急制动系统AEB启动并且预警、提醒驾驶员介入；

6)当路径跟踪精度不满足设定阈值且没有换道条件时，对车辆进行路径跟踪补偿，路径跟踪补偿后操纵稳定性没有恶化，则按照此逻辑控制车辆；

7)当路径跟踪精度不满足设定阈值且没有换道条件时，对车辆进行路径跟踪补偿，路径跟踪补偿后，操纵稳定性恶化，此时还需要对车辆进行车身姿态补偿控制；

8)当车身姿态补偿和路径跟踪精度补偿控制都无法有效纠正车辆状态时，需要紧急制动减速、预警、驾驶员介入操作等控制；

步骤3、根据步骤2的八种行驶情景实时监测结果，智能车辆采取相应的控制策略，并对协同控制策略进行评价，更新车辆状态，进一步对车辆进行相应控制，直至路径跟踪功能结束。

2.根据权利要求1所述的一种车辆路径跟踪与车身姿态协同控制方法，其特征在于，第1)种行驶情景实时监测结果，智能车辆采取相应的控制策略，通过以下步骤实现：

步骤2A-1、基于二自由度车辆动力学方程，建立二自由度车辆动力学模型，根据轮胎的侧偏角与车辆质心侧偏角、横摆角速度及质心距前后轴的距离等参数关系，结合牛顿第二定律进一步整理，得到线性二自由度模型的运动微分方程为：

式中m——整车质量；

C_f、Cr——为前后轮线性侧偏刚度；

l_f、l_r——为车辆质心距前后轴的距离；

I_Z——整车绕Z轴的转动惯量；

δ_f——前轮转角；

V_x——纵向车速；

β——质心侧偏角；

r——横摆角速度；

步骤2A-2：预瞄误差系统的设计；路径跟踪技术是指智能车辆在实际行驶过程中，通过传感器获取相应的道路信息，运用合适的控制算法控制车辆的行驶方向，从而使得车辆在行驶过程中不偏离设定的轨迹，同时还能保证行驶过程中的安全性；预瞄误差模型的输入包括了车辆动力学模型的输出质心侧偏角β和横摆角速度r，以及外部输入道路曲率ρ和预瞄距离x_e，预瞄误差模型的输出为横向位移偏差y_e和横向方位偏差e，车辆的预瞄误差模型公式：

式中y_e——横向位移偏差；

v_y——横向速度；

v_x——纵向车速；

e——横向方位偏差；

r——横摆角速度；

ρ——道路曲率；

x_e——预瞄距离；

步骤2A-3：在对横向位移偏差y_e和横向方位偏差e进行权重分配之后作为综合偏差E；

步骤2A-4：将步骤2A-3得到的综合偏差E输入到PID控制器中，经过一系列的计算之后输出了车辆的前轮转角δ_f作为车辆动力学模型的控制量，以此形成了路径跟踪横向运动的闭环控制系统，实现路径跟踪功能。

3.根据权利要求1所述的一种车辆路径跟踪与车身姿态协同控制方法，其特征在于，第2)、3)、4)种行驶情景实时监测结果，对车辆进行车身姿态补偿，削弱车辆的侧向加速度，纠正车辆的横向运动，通过以下步骤实现：

步骤2B-1：主要通过控制车辆侧倾来改善车身姿态，侧倾发生后会产生侧倾力矩，侧倾力矩由三部分组成：1.悬挂质量离心力引起的侧倾力矩M_ΦrⅠ；2.悬挂质量重力引起的侧倾力矩M_ΦrⅡ；3.非悬挂质量的离心力引起的侧倾力矩M_ΦrⅢ；4.此外，侧倾时垂直载荷在左、右侧车轮载荷发生转移，会产生载荷转移力矩M_ZF、M_ZR；当车身处于侧倾状态时，左右两侧悬架在当前状态下若能产生额外方向相反的力Δf，可以形成抗侧倾力矩M_af，可抑制车辆的侧倾；

悬挂质量离心力引起的侧倾力矩M_ΦrⅠ为：

M_ΦrⅠ＝m_s·a_y·h

悬挂质量重力引起的侧倾力矩M_ΦrⅡ为：

M_ΦrⅡ＝m_s·g·e≈m_s·g·h_g·φ

非悬挂质量的离心力引起的侧倾力矩M_ΦrⅢ为:

M_ΦrⅢ＝-F_uy(h₀-r)

侧倾时垂直载荷在左、右侧车轮载荷发生转移，产生载荷转移力矩M_ZF、M_ZR为：

M_ZF＝(F_rRF-F_rLF)·B/2

M_ZR＝(F_rRR-F_rLR)·B/2

对车身纵向中心线取矩，即：

M_ΦrⅠ+M_ΦrⅡ+M_ΦrⅢ+M_ZF+M_ZR＝M_af

式中m_s——悬挂质量；

a_y——侧向加速度；

h——悬挂质量的质心到侧倾轴线的距离；

g——重力加速度；

h_g——悬挂质量的质心到地面的距离；

φ——车身侧倾角；

F_uy——非悬挂质量产生的离心力；

h₀——侧倾中心距地面的距离；

r——车轮半径；

F_rRF、F_rLF——侧倾后前轴左右车轮垂直载荷；

F_rRR、F_rLR——侧倾后后轴左右车轮垂直载荷；

B——轮距；

步骤2B-2：通过在车身质心处设置三轴陀螺仪，从而获取车身质心处的垂向加速度、侧倾角加速度以及侧倾角信号发送给控制器，计算得出车辆当前的侧倾力矩的数值，并通过主动悬架上的作动器提供给车辆反向的力矩以抵抗车辆的侧倾运动，通过以上步骤实现对第2)、3)、4)种行驶情景的监测和控制。

4.根据权利要求1所述的一种车辆路径跟踪与车身姿态协同控制方法，其特征在于，第5)、8)种行驶情景实时监测结果，智能车辆采取相应的控制策略，通过以下步骤实现：

步骤2C、紧急制动控制方法，在路径跟踪补偿和车身姿态补偿未果的情况下，自动紧急制动系统AEB启动，降低车速，使车辆状态可控，AEB系统主要包括：信息采集模块、控制模块、执行模块三个部分，通过前置摄像头、毫米波雷达或者激光雷达等装置识别车辆前方障碍物，随后将并将本车与前车行驶状态信息或者前方障碍物或者行人的信息实时传输至AEB系统的控制模块，控制模块根据车辆的运动状态信息，计算并判断出本车的危险等级，当系统判定本车与前方车辆存在碰撞风险时，以灯光、声音等方式向驾驶员发出警告，若驾驶员未采取有效措施，此时系统会自动控制车辆进行紧急制动。

5.根据权利要求1所述的一种车辆路径跟踪与车身姿态协同控制方法，其特征是，第6)种行驶情景实时监测结果，智能车辆采取相应的控制策略，通过以下步骤实现：

步骤2D、路径跟踪补偿控制方法，基于PI控制理论，综合考虑横向位置偏差、方向偏差、和道路曲率设计转角补偿控制规律如下：

式中δ_comp为前轮转角补偿量；R₁为横向位置偏差比例系数；Q₁(k(t))为横向偏差积分函数；R₂为方向偏差比例系数；Q₂(k(t))为横向偏差比例系数；k(t)为当前时刻期望路径道路曲率；e_y为当前时刻车辆质心处的实际横向位置偏差；

为当前时刻车辆质心处的实际方向偏差；

其中为减小大曲率下系统跟踪目标路径的横向偏差超调量和方向偏差超调量，将积分函数Q1(k(t))、Q₂(k(t))设定为道路曲率的函数：

式中，ω₁、ω₂为横向位置、方向偏差积分系数；

R₁、ω₁主要表征系统横向偏差项的前轮转角补偿量，R₂、ω₂主要表征系统方向偏差项的前轮转角补偿量，为了使补偿控制器能够很好的适应系统参数的变化及外界环境的干扰，补偿控制器中的系统参数R₁、R₂、ω₁、ω₂将基于模糊控制的思想，分别基于系统横向偏差和方向偏差设计两个不同的模糊控制器。以横向偏差e_y和横向偏差变化率

为输入，横向偏差比例系数R₁和积分系数ω₁为输出设计横向偏差模糊控制器；以方向偏差

和方向偏差变化率

为输入，以方向偏差比例系数R₂和积分系数ω₂为输出设计方向偏差模糊控制器，采用两输入两输出分别得到R₁、ω₁；R₂、ω₂的变化规律，对其进行优化；

综上，转角补偿控制规律为：

所以，可得路径跟踪补偿控制的前轮转角控制规律：

6.根据权利要求1所述的一种车辆路径跟踪与车身姿态协同控制方法，其特征是，第7)种行驶情景实时监测结果，智能车辆采取相应的控制策略，通过以下步骤实现：

步骤2E、对车辆进行跟踪精度和车身姿态的同时补偿，其中跟踪精度的补偿通过第6)种行驶情景的控制策略实现；车身姿态补偿通过，第2)、3)、4)种行驶情景的控制策略实现。

7.根据权利要求1所述的一种车辆路径跟踪与车身姿态协同控制方法，其特征是，还包括，在协同控制器补偿控制之后，再次对车辆的状态进行监测和判定，对补偿控制效果进行实时评价，补偿成功则继续保持协同控制，反之则驾驶员介入，接管车辆的操控，避免危险的发生。

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