CN117032177A - 车辆纵横垂耦合域控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种车辆纵横垂耦合域控制系统及方法。该系统包括：车载传感系统、纵横垂耦合域控制器以及纵横垂耦合执行系统；车载传感系统，第一端连接纵横垂耦合域控制器的第一端，第二端连接纵横垂耦合执行系统的第一端，用于采集车辆状态信息和环境信息并将其发送给纵横垂耦合域控制器；纵横垂耦合域控制器，第二端连接纵横垂耦合执行系统的第二端，用于基于车辆状态信息和环境信息生成控制报文，并将控制报文发送给纵横垂耦合执行系统；纵横垂耦合执行系统用于接收控制报文，并根据控制报文对车辆进行控制。本发明能够兼顾车辆纵向、横向以及垂向自由度的控制，通过多自由度的控制有效保证分布式驱动车辆全工况下行驶的稳定性与平顺性。

Description

车辆纵横垂耦合域控制系统及方法

技术领域

本发明涉及车辆控制技术领域，尤其涉及一种车辆纵横垂耦合域控制系统及方法。

背景技术

分布式驱动车辆采用全线控集成化底盘，具有线控驱动能力、线控制动能力和线控转向能力，整车可装配复杂的传感与控制系统，是实现智能驾驶的重要试验平台。

在对分布式驱动车辆进行车辆动力学控制时，由于分布式驱动车辆的高度非线性动态特性与参数不确定性，使其车辆动力学控制的复杂程度有所提高。现有技术中，通常采用主动转向和各轮胎力矩优化分配的方法来进行车辆动力学控制，以改善车辆操纵的稳定性，然而这种方法仅仅约束了车辆的纵向自由度和横向自由度，难以保证分布式驱动车辆全工况行驶的稳定性与平顺性。

发明内容

本发明实施例提供了一种车辆纵横垂耦合域控制系统及方法，以解决现有技术中难以保证分布式驱动车辆全工况行驶的稳定性与平顺性的问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种车辆纵横垂耦合域控制系统，包括：车载传感系统、纵横垂耦合域控制器以及纵横垂耦合执行系统；

所述车载传感系统，第一端连接所述纵横垂耦合域控制器的第一端，第二端连接所述纵横垂耦合执行系统的第一端，用于采集车辆状态信息和环境信息，并将所述车辆状态信息和所述环境信息发送给所述纵横垂耦合域控制器；

所述纵横垂耦合域控制器，第二端连接所述纵横垂耦合执行系统的第二端，用于接收所述车辆状态信息和所述环境信息，基于所述车辆状态信息和所述环境信息生成控制报文，并将所述控制报文发送给所述纵横垂耦合执行系统；

所述纵横垂耦合执行系统用于接收所述控制报文，并根据所述控制报文对车辆纵向、横向以及垂向进行控制。

在一种可能的实现方式中，所述纵横垂耦合域控制器包括：车-电-路耦合模型模块、驾驶意图识别模块以及多模式协调切换控制模块；

所述车-电-路耦合模型模块，第一端连接所述车载传感系统的第一端，第二端连接所述驾驶意图识别模块的第一端，第三端连接所述多模式协调切换控制模块的第一端，用于接收所述车辆状态信息和所述环境信息，基于纵横垂耦合动力学模型、所述车辆状态信息和所述环境信息计算车辆纵向、横向以及垂向的第一动力响应，以及基于路面响应特性模型、所述车辆状态信息和所述环境信息计算当车辆行驶过路面时路面对车辆的第二动力响应，以及基于电机运动及响应特性模型、所述车辆状态信息和所述环境信息计算电机转动和电磁激励对车辆的第三动力响应，以及根据所述第一动力学响应、所述第二动力学响应和所述第三动力学响应确定车辆当前状态，并将所述车辆当前状态发送给所述驾驶意图识别模块和所述多模式协调切换控制模块；

所述驾驶意图识别模块，第二端连接所述多模式协调切换控制模块的第一端，用于接收所述车辆当前状态，根据所述车辆当前状态和驾驶员操作反馈信息确定车辆目标状态，并将所述车辆目标状态发送给所述多模式协调切换控制模块；

所述多模式协调切换控制模块，第二端连接所述纵横垂耦合执行系统的第二端，用于接收所述车辆当前状态和所述车辆目标状态，根据所述车辆状态信息、所述环境信息、所述车辆当前状态和所述车辆目标状态仲裁工况复杂度，并基于所述工况复杂度确定车辆驾驶模式的切换控制指令。

在一种可能的实现方式中，所述纵横垂耦合域控制器还包括：参数计算模块；

所述车-电-路耦合模型模块的第一端通过所述参数计算模块的第一端、所述参数计算模块的第二端连接所述车载传感系统的第一端；

所述参数计算模块的第三端连接所述多模式协调切换控制模块的第一端，用于对所述车辆状态信息和所述环境信息进行数据滤波和数据融合的预处理，基于预处理后的车辆状态信息和环境信息计算车身位姿、道路形貌和路面参数，并将所述车身位姿、所述道路形貌和所述路面参数发送给所述车-电-路耦合模型模块和所述多模式协调切换控制模块。

在一种可能的实现方式中，所述参数计算模块包括：环境感知模块和参数估计模块；

所述环境感知模块，第一端连接所述车载传感系统的第一端，第二端连接所述参数估计模块的第一端，第三端连接所述多模式协调切换控制模块的第一端，用于对所述车辆状态信息和所述环境信息进行数据滤波和数据融合的预处理，得到目标车辆状态信息和目标环境信息，并将所述目标车辆状态信息和所述目标环境信息发送给所述参数估计模块和所述多模式协调切换控制模块；

所述参数估计模块，第二端连接所述车-电-路耦合模型模块的第一端，第三端连接所述多模式协调切换控制模块的第一端，用于接收所述目标车辆状态信息和所述目标环境信息，基于所述目标车辆状态信息计算车身位姿，基于所述目标环境信息估计道路形貌和路面参数，并将所述车身位姿、所述道路形貌和所述路面参数发送给所述车-电-路耦合模型模块和所述多模式协调切换控制模块。

在一种可能的实现方式中，所述纵横垂耦合域控制器还包括：安全诊断与容错模块；

所述安全诊断与容错模块，第一端分别连接所述车-电-路耦合模型模块的第三端、所述驾驶意图识别模块的第二端以及所述参数计算模块的第三端，第二端连接所述多模式协调切换控制模块的第三端，用于接收所述车辆当前状态和所述车辆目标状态，根据所述车辆当前状态和所述车辆目标状态确定车辆行驶安全程度，根据所述车载传感系统、所述纵横垂耦合域控制器与所述纵横垂耦合执行系统三者之间的通讯状态诊断所述车辆纵横垂耦合域控制系统的运行状态，以及根据所述车辆行驶安全程度和所述运行状态对所述纵横垂耦合执行系统中的失效构件进行容错补偿，并将容错补偿结果发送给所述多模式协调切换控制模块；

所述多模式协调切换控制模块，用于根据所述容错补偿结果、所述目标车辆状态信息、所述目标环境信息、所述车辆当前状态以及所述车辆目标状态仲裁所述工况复杂度，基于所述工况复杂度确定车辆驾驶模式的切换控制指令，并根据所述容错补偿结果和所述切换控制指令生成所述控制报文，并将所述控制报文发送给所述纵横垂耦合执行系统。

在一种可能的实现方式中，所述纵横垂耦合执行系统包括：纵向单元、横向单元以及垂向单元；

所述纵向单元的第一端、所述横向单元的第一端以及所述垂向单元的第一端均连接所述车载传感系统的第二端；

所述纵向单元的第二端、所述横向单元的第二端以及所述垂向单元的第二端均连接所述纵横垂耦合域控制器的第二端；

所述纵向单元用于基于所述控制报文控制车辆的驱动电机转速、电机负反馈电流以及轮胎滑移率；

所述横向单元用于基于所述控制报文控制车辆的转向电机角度和转向电机转速；

所述垂向单元用于基于所述控制报文控制车辆的悬架阻尼、悬架刚度以及悬架动挠度。

在一种可能的实现方式中，所述车辆状态信息包括第一车辆状态信息和第二车辆状态信息；其中，所述第一车辆状态信息用于表征在所述纵横垂耦合执行系统根据所述控制报文对车辆纵向、横向以及垂向进行控制之后，车辆纵向、横向以及垂向的信息，所述第二车辆状态信息用于表征车辆位姿信息；

所述车载传感系统包括：执行机构监测系统；

所述执行机构监测系统的第一端连接所述纵横垂耦合域控制器的第一端，第二端连接所述纵横垂耦合执行系统的第一端，用于采集所述第一车辆状态信息，并将所述第一车辆状态信息发送给所述纵横垂耦合域控制器。

在一种可能的实现方式中，所述车载传感系统还包括：摄像头、雷达、GPS单元以及IMU单元；

所述摄像头的第一端、所述雷达的第一端、所述GPS单元的第一端以及所述IMU单元的第一端均连接所述纵横垂耦合域控制器的第一端；

所述摄像头、所述雷达、所述GPS单元以及所述IMU单元用于采集所述第二车辆状态信息和所述环境信息，并将所述第二车辆状态信息和所述环境信息发送给所述纵横垂耦合域控制器。

第二方面，本发明实施例提供了一种车辆，包括如上第一方面或第一方面的任一种可能的实现方式所述的车辆纵横垂耦合域控制系统。

第三方面，本发明实施例提供了一种车辆纵横垂耦合域控制方法，基于如上第一方面或第一方面的任一种可能的实现方式所述的车辆纵横垂耦合域控制系统，所述车辆纵横垂耦合域控制方法包括：

获取车辆状态信息和环境信息；

根据所述车辆状态信息和所述环境信息生成控制报文，以使纵横垂耦合执行系统根据所述控制报文对车辆纵向、横向以及垂向进行控制。

本发明实施例提供一种车辆纵横垂耦合域控制系统及方法，该控制系统包括车载传感系统、纵横垂耦合域控制器以及纵横垂耦合执行系统三大部分。通过将车载传感系统采集的车辆状态信息和环境信息发送至纵横垂耦合域控制器，进而纵横垂耦合域控制器基于车辆状态信息和环境信息生成控制报文，并发送至纵横垂耦合执行系统，然后纵横垂耦合执行系统根据控制报文对车辆纵向、横向以及垂向进行相应控制。如此一来，兼顾了车辆纵向、横向以及垂向自由度的优化协调控制，改善了车辆控制的精确性与安全性，从而通过多自由度的精确控制有效地保证了分布式驱动车辆全工况下行驶的稳定性与平顺性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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是本发明实施例提供的车辆纵横垂耦合域控制系统的架构示意图；

图2是本发明实施例提供的纵横垂耦合域控制器的架构示意图；

图3(a)是本发明实施例提供的车辆的纵横垂耦合动力学模型中车辆纵向和横向的模型示意图；

图3(b)是本发明实施例提供的车辆的纵横垂耦合动力学模型中车辆垂向的模型示意图；

图4是本发明又一实施例提供的纵横垂耦合域控制器的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的参数计算模块的结构示意图；

图6是本发明再一实施例提供的纵横垂耦合域控制器的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的车载传感系统的架构示意图；

图8是本发明实施例提供的车辆纵横垂耦合域控制系统的详细架构图；

图9是本发明实施例提供的车辆纵横垂耦合域控制方法的实现流程图；

图10是本发明实施例提供的电子设备的示意图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图通过具体实施例来进行说明。

目前通常采用主动转向和各轮胎力矩优化分配的方法来改善车辆操纵稳定性，然而这种方法仅约束了车辆的纵向自由度与横向自由度，而忽略了垂向振动对车辆控制效果的耦合响应。因此，亟需一种对车辆纵向、横向以及垂向三轴耦合的控制系统来保证分布式驱动车辆全工况行驶的稳定性与平顺性。基于此，图1为本发明实施例提供的车辆纵横垂耦合域控制系统的架构示意图。如图1所示，本发明实施例提供的车辆纵横垂耦合域控制系统1，包括：

车载传感系统11、纵横垂耦合域控制器12以及纵横垂耦合执行系统13。

车载传感系统11的第一端连接纵横垂耦合域控制器12的第一端，车载传感系统11的第二端连接纵横垂耦合执行系统13的第一端。车载传感系统11用于采集车辆状态信息和环境信息，并将车辆状态信息和环境信息发送给纵横垂耦合域控制器12。示例性的，环境信息可以由车辆上设置的不同数据采集设备进行采集，例如，摄像头采集的道路图像信息、雷达等设备观测的数据信息以及定位装置测量的车辆的位置信息和/或定位点的位置信息等。车辆状态信息可以由车辆上设置的相应传感器进行采集，例如，采集车速信息、车身位置信息、车身姿态信息等。车辆状态信息也可以由车辆的不同执行器上设置的传感器进行采集，例如，采集方向盘状态信息、悬架状态信息以及驱动电机状态信息等，本申请对此不作限定。

纵横垂耦合域控制器12的第二端连接纵横垂耦合执行系统13的第二端。纵横垂耦合域控制器12用于接收车载传感系统11发出的车辆状态信息和环境信息，并基于车辆状态信息和环境信息生成控制报文。然后，再将控制报文发送给纵横垂耦合执行系统13。

纵横垂耦合执行系统13用于接收纵横垂耦合域控制器12发出的控制报文，并根据控制报文对车辆的纵向、横向以及垂向进行控制。示例性的，车辆的纵向控制可以包括控制驱动电机转速、控制电机负反馈电流以及控制轮胎滑移率等。车辆的横向控制可以包括控制转向电机角度以及控制转向电机转速等。车辆的垂向控制可以包括：控制悬架阻尼、控制悬架刚度以及控制悬架动挠度等，本申请对此不作限定。

本发明实施例提供的车辆纵横垂耦合域控制系统包括车载传感系统11、纵横垂耦合域控制器12以及纵横垂耦合执行系统13三大部分。通过将车载传感系统11采集的车辆状态信息和环境信息发送至纵横垂耦合域控制器12，进而纵横垂耦合域控制器12基于车辆状态信息和环境信息生成控制报文，并发送至纵横垂耦合执行系统13，然后纵横垂耦合执行系统13根据控制报文对车辆纵向、横向以及垂向进行相应控制。如此一来，兼顾了车辆纵向、横向以及垂向自由度的优化协调控制，改善了车辆控制的精确性与安全性，从而通过多自由度的精确控制有效地保证了分布式驱动车辆全工况下行驶的稳定性与平顺性。

可选的，图2为本发明实施例提供的纵横垂耦合域控制器的架构示意图，如图2所示，纵横垂耦合域控制器12包括：车-电-路耦合模型模块121、驾驶意图识别模块122以及多模式协调切换控制模块123。

车-电-路耦合模型模块121的第一端连接车载传感系统11的第一端，车-电-路耦合模型模块121的第二端连接驾驶意图识别模块122的第一端，车-电-路耦合模型模块121的第三端连接多模式协调切换控制模块123的第一端。

车-电-路耦合模型模块121用于接收车辆状态信息和环境信息，基于纵横垂耦合动力学模型、车辆状态信息和环境信息计算车辆纵向、横向以及垂向的第一动力响应。示例性的，第一动力响应可以是车辆的发动机状态变化、轮胎状态变化以及悬架状态变化等，本申请对此不作限定。

车-电-路耦合模型模块121还用于基于路面响应特性模型、车辆状态信息和环境信息计算当车辆行驶过路面时路面对车辆的第二动力响应。示例性的，第二动力学响应可以是路面激励以及路面二次激励等。

车-电-路耦合模型模块121还用于基于电机运动及响应特性模型、车辆状态信息和环境信息计算电机转动和电磁激励对车辆的第三动力响应。示例性的，第三动力响应可以是车辆在受到电机转动和电磁激励的影响后的动力响应。

车-电-路耦合模型模块121还用于根据第一动力学响应、第二动力学响应和第三动力学响应确定车辆当前状态，并将车辆当前状态发送给驾驶意图识别模块和多模式协调切换控制模块。本实施例中，通过车-电-路耦合模型精确计算出车辆当前状态，从而有利于后续车辆目标状态的合理确定，进而便于实现对分布式驱动车辆纵横垂三向的耦合控制，以保证分布式驱动车辆的稳定行驶。

图3(a)为本发明实施例提供的车辆的纵横垂耦合动力学模型中车辆纵向和横向的模型示意图，图3(b)为本发明实施例提供的车辆的纵横垂耦合动力学模型中车辆垂向的模型示意图，请一并参照图3(a)和图3(b)。本实施例中，基于该纵横垂耦合动力学模型所体现出的动力学关系计算车辆当前状态。具体地，图3(a)中，v_y表示车辆的侧向速度，v_x表示车辆的纵向速度，γ表示车辆的横摆角速度。F_yf、F_yr分别表示车辆前、后轮胎所受侧向力，F_xf、F_xr分别表示车辆前、后轮胎所受纵向力。图3(b)中，z表示车辆的车体质心处的垂向位移。θ表示车辆的车体俯仰角，z_tf、z_tr分别表示前、后非簧载质量垂向位移，m_tf、m_tr分别表示前、后非簧载(包含电机)质量。k_tf、k_tr分别表示前、后轮胎刚度，k_sf、k_sr分别表示前、后悬架刚度，c_sf、c_sr分别表示前、后悬架阻尼系数，F_ef、F_er分别表示前、后电机垂向激励合力，B_o、L_o分别表示路面不平顺幅值及波长，q_r表示路面不平顺激励，w_r表示路面垂向振动位移。

可选的，车-电-路耦合模型模块121中预设分布式驱动车辆的纵横垂耦合动力学模型、路面响应特性模型以及电机运动及响应特性模型，基于该车-电-路耦合模型能够精确计算车辆当前状态，还可以预测车辆在某一时刻的状态。具体地，车-电-路耦合模型在考虑到分布式驱动车辆纵横垂三向耦合动力学特性的同时，还考虑了路面激励和驱动电机激励对车辆动力学性能的影响。如此一来，通过纵横垂耦合动力学模型、路面响应特性模型以及电机运动及响应特性模型，能够准确确定并预测车辆纵横垂三向的车-电-路耦合参数，从而有效改善模型失配问题对车辆稳定性与平顺性控制的影响，还有效增加了车辆控制的灵活度。

如图2所示，驾驶意图识别模块122的第二端连接多模式协调切换控制模块123的第一端。驾驶意图识别模块122用于接收车-电-路耦合模型模块121发出的车辆当前状态，根据车辆当前状态和驾驶员操作反馈信息确定车辆目标状态，并将车辆目标状态发送给多模式协调切换控制模块123。

可选的，驾驶员操作反馈信息可以包括驾驶员对刹车踏板的控制角度、驾驶员对方向盘的控制信息等。本实施例中，驾驶意图识别模块122以车辆当前状态作为基础，进一步结合驾驶员操作反馈信息，从而预测得到驾驶员在进行车辆控制操作后的车辆目标状态。如此一来，在准确确定了分布式驱动车辆的车辆目标状态之后，有利于后续模块分析分布式驱动车辆在车辆目标状态下可能存在的安全隐患，进而对这些潜在的安全隐患进行故障提醒或容错控制等。

多模式协调切换控制模块123的第二端连接纵横垂耦合执行系统13的第二端。多模式协调切换控制模块123用于接收车辆当前状态和车辆目标状态，根据车辆状态信息、环境信息、车辆当前状态和车辆目标状态仲裁工况复杂度，并基于工况复杂度确定车辆驾驶模式的切换控制指令。

本实施例中，多模式协调切换控制模块123可以预设有拥堵驾驶、狭窄驾驶、颠簸驾驶等多个不同的驾驶模式。多模式协调切换控制模块123对车辆周围的道路、环境、车辆当前状态、车辆目标状态以及车辆失效构件进行分析之后，仲裁当前分布式驱动车辆驾驶工况的复杂度，并根据不同的工况复杂度确定车辆的驾驶模式的切换控制指令。可选的，在确定切换控制指令后，发送给车辆纵横垂耦合执行系统13，从而车辆纵横垂耦合执行系统13可以对其下不同的执行器进行相应协调控制以保证车辆行驶的稳定性和平顺性。

可选的，图4为本发明又一实施例提供的纵横垂耦合域控制器的结构示意图，如图4所示，纵横垂耦合域控制器12还包括：参数计算模块124。

车-电-路耦合模型模块121的第一端通过参数计算模块124的第一端、参数计算模块124的第二端连接车载传感系统11的第一端。

参数计算模块124的第三端连接多模式协调切换控制模块123的第一端。参数计算模块124用于对车辆状态信息和环境信息进行数据滤波和数据融合的预处理，基于预处理后的车辆状态信息和环境信息计算车身位姿、道路形貌和路面参数，并将车身位姿、道路形貌和路面参数发送给车-电-路耦合模型模块121和多模式协调切换控制模块123。

可选的，图5为本发明实施例提供的参数计算模块的结构示意图，如图5所示，参数计算模块124包括：环境感知模块1241和参数估计模块1242。

环境感知模块1241的第一端连接车载传感系统11的第一端，环境感知模块1241的第二端连接参数估计模块1242的第一端，环境感知模块1241的第三端连接多模式协调切换控制模块123的第一端。

环境感知模块1241用于对车辆状态信息和环境信息进行数据滤波和数据融合的预处理，得到目标车辆状态信息和目标环境信息，并将目标车辆状态信息和目标环境信息发送给参数估计模块1242和多模式协调切换控制模块123。

参数估计模块1242的第二端连接车-电-路耦合模型模块121的第一端，参数估计模块1242的第三端连接多模式协调切换控制模块123的第一端。

参数估计模块1242用于接收目标车辆状态信息和目标环境信息，基于目标车辆状态信息计算车身位姿，基于目标环境信息估计道路形貌和路面参数，并将车身位姿、道路形貌和路面参数发送给车-电-路耦合模型模块121和多模式协调切换控制模块123。

本实施例中，环境感知模块1241获取到车辆状态信息和环境信息之后，可以基于预设卡尔曼滤波算法对车辆状态信息和环境信息进行数据滤波和数据融合的预处理，得到目标车辆状态信息和目标环境信息。

车辆状态信息和环境信息往往都是通过各类传感器采集得到的，而这些信息在任何时刻一般都是有噪声的，卡尔曼滤波算法可以利用车辆及周围环境的动态信息，过滤掉车辆状态信息和环境信息中的噪声，从而得到高精度的目标车辆状态信息和目标环境信息。如此一来，有利于后续参数估计模块1242基于目标车辆状态信息和目标环境信息计算得到准确的车身位姿、路面参数等数据。

可选的，由于车辆状态信息和环境信息不能完全通过车载传感系统11直接获取。因此，对于一些无法直接通过各类传感器采集到的数据，例如车身位姿、质心侧偏角、路面不平度等数据，需要另设计算单元进行计算。基于此，本实施例中，设定了参数估计模块1242计算这些参数。可选的，参数估计模块1242基于目标车辆状态信息计算车身位姿，基于目标环境信息估计道路形貌和路面参数。

可选的，图6为本发明再一实施例提供的纵横垂耦合域控制器的结构示意图，如图6所示，纵横垂耦合域控制器12还包括：安全诊断与容错模块125。

安全诊断与容错模块125的第一端分别连接车-电-路耦合模型模块121的第三端、驾驶意图识别模块122的第二端以及参数计算模块124的第三端(也即环境感知模块1241的第三端和参数估计模块1242的第三端)，安全诊断与容错模块125的第二端连接多模式协调切换控制模块123的第三端。

安全诊断与容错模块125用于接收车辆当前状态和车辆目标状态，根据车辆当前状态和车辆目标状态确定车辆行驶安全程度，根据车载传感系统11、纵横垂耦合域控制器12与纵横垂耦合执行系统13三者之间的通讯状态诊断车辆纵横垂耦合域控制系统1的运行状态，以及根据车辆行驶安全程度和运行状态对纵横垂耦合执行系统13中的失效构件进行容错补偿，并将容错补偿结果发送给多模式协调切换控制模块123。示例性的，诊断车辆纵横垂耦合域控制系统1的运行状态可以包括：诊断纵横垂耦合域控制器的控制报文是否正常发送接收、车辆纵横垂耦合执行系统中各执行构件的反馈信息是否正常发送、各硬件(比如传感器)通讯是否正常等，本申请对此不作限定。

可选的，安全诊断与容错模块125可以通过车辆的通讯总线(也即CAN总线)诊断故障码进行各类传感器与纵横垂耦合执行系统13中各执行构件的故障查询。当安全诊断与容错模块125接收到故障码时，首先确定故障码的来源(例如，转向电机、悬架等)，并判定该故障类型是否影响车辆按照车辆目标状态行驶(例如，是否影响车辆按车辆目标状态转向、是否影响按车辆目标状态升降车辆质心高度等)。当判断故障类型影响车辆按照车辆目标状态进行行驶时，安全诊断与容错模块125对出现故障的各类传感器或纵横垂耦合执行系统13中的各执行构件进行容错补偿。例如，横向单元失效时无法通过转向机构操纵车辆行驶，此时安全诊断与容错模块125可通过纵向单元进行电子差速，从而实现对纵横垂耦合执行系统13中的失效构件进行容错补偿。也即，通过某一机构的运动控制等效代替某失效构件的运动需求。

除此之外，当各类传感器或纵横垂耦合执行系统中的各个构件未发生故障，但车辆转向梯度、侧向加速度、横摆角速度等数据异常，即车辆发生过度转向、侧滑、侧倾等动力学失稳现象时，安全诊断与容错模块125判定此时车辆状态不满足车辆行驶安全性。此时，安全诊断与容错模块125会根据车辆行驶安全性对车辆中无法按需执行控制指令的执行构件进行替换方案的设计，以保证车辆的行驶安全。总的来说，影响车辆行驶安全的因素可以包括硬件失效和数据流失效。对于数据流失效而言，意味着其所涉及的硬件也将无法按需执行控制指令。因此，这两种失效最终都可以按照硬件失效处理。即当车辆某构件(车辆硬件)失效时，可通过其它构件的运动控制等效替代该失效构件的运动需求，由此来进行失效构件的控制补偿。例如，当方向盘失效时，即驾驶员无法通过方向盘控制车辆转向，此时可通过四轮差速控制来实现对方向盘的容错补偿。

多模式协调切换控制模块123，用于根据容错补偿结果、目标车辆状态信息、目标环境信息、车辆当前状态以及车辆目标状态仲裁工况复杂度，基于工况复杂度确定车辆驾驶模式的切换控制指令，并根据容错补偿结果和切换控制指令生成控制报文，并将控制报文发送给纵横垂耦合执行系统13。

本实施例中，仲裁车辆行驶工况的复杂度是通过车辆状态和环境等宏观信息、车辆当前状态和车辆目标状态等微观信息以及安全诊断与容错模块给出的容错补偿等信息共同确定的。例如，当车辆感知到前方环境存在障碍物、前方路面为低附着路面时，这种情况下车辆的行驶工况相对于常规行驶而言，可以增加主动避障控制和操纵稳定性控制，此时，可相应控制调节车辆驾驶模式，以使车辆适应在当前环境的道路上正常行驶。可选的，车辆驾驶模式可以分级切换，例如，根据障碍物的数量和大小、车辆自身状态变化情况、车辆中失效执行构件的数量多少以及替代失效执行构件实现功能的方案的难易程度，在对车辆驾驶模式进行切换时，进行分级切换，以适应不同场景下车辆的正常行驶。

可选的，纵横垂耦合执行系统13包括：纵向单元、横向单元以及垂向单元。

纵向单元的第一端、横向单元的第一端以及垂向单元的第一端均连接车载传感系统11的第二端。

纵向单元的第二端、横向单元的第二端以及垂向单元的第二端均连接纵横垂耦合域控制器12的第二端。

纵向单元用于基于控制报文控制车辆的驱动电机转速、电机负反馈电流以及轮胎滑移率。

横向单元用于基于控制报文控制车辆的转向电机角度和转向电机转速。

垂向单元用于基于控制报文控制车辆的悬架阻尼、悬架刚度以及悬架动挠度。

本实施例中，纵向单元可以包括分布式驱动电机、轮胎、制动系统等，纵向单元用于控制车辆的车速、轮速。横向单元可以包括转向电机、连杆、方向盘等，横向单元用于控制车辆的转向电机转角、转速。垂向单元由主动悬架构成，用于控制车辆的主动悬架刚度、阻尼和悬架动挠度。

车载传感系统11用于采集车辆状态信息。可选的，车辆状态信息可以由多个设置在车辆构件上的传感器信息组成。示例性的，车辆构件可以包括车辆纵横垂三向的构件。可选的，纵向构件示例为驱动电机、轮胎、制动系统等；横向构件示例方向盘、转向电机、连杆等；垂向构件示例悬架等。

图7为本发明实施例提供的车载传感系统的架构示意图，如图7所示，可选的，车辆状态信息包括第一车辆状态信息和第二车辆状态信息；其中，第一车辆状态信息用于表征在纵横垂耦合执行系统根据控制报文对车辆纵向、横向以及垂向进行控制之后，车辆纵向、横向以及垂向的信息，第二车辆状态信息用于表征车辆位姿信息。

车载传感系统11包括：执行机构监测系统111。

执行机构监测系统111的第一端连接纵横垂耦合域控制器12的第一端，第二端连接纵横垂耦合执行系统13的第一端，用于采集第一车辆状态信息，并将第一车辆状态信息发送给纵横垂耦合域控制器12。

本实施例中，基于执行机构监测系统111反馈纵横垂耦合执行系统13当前的执行状态，也即基于执行机构监测系统111监测车辆纵向、横向以及垂向单元的控制报文执行情况(例如，各单元是否按控制报文执行动作；执行结果是否达到参考值。具体举例如下：期望电机转速为10r/min，实际转速是否达到)。可选的，执行机构监测系统111可以是车辆底盘内置传感器(例如方向盘转角传感器、转向电机转角传感器、轮速传感器等)的信息收发单元。示例性的，车载传感系统11中设置的执行机构监测系统111具体可以是由设置在方向盘(车辆横向控制示例)、悬架(车辆垂向控制示例)、驱动电机(车辆纵向控制示例)等不同执行器上的各类传感器组成的。执行机构监测系统111通过采集不同执行器上设置的传感器信息，并对其进行汇总，得到第一车辆状态信息。也即，执行机构监测系统111通过监测纵横垂耦合执行系统13上各个构件的响应数据，并对这些数据进行汇总，从而得到第一车辆状态信息。

可选的，车载传感系统11还包括摄像头、雷达、GPS单元以及IMU单元。

摄像头的第一端、雷达的第一端、GPS单元的第一端以及IMU单元的第一端均连接纵横垂耦合域控制器12的第一端。

摄像头、雷达、GPS单元以及IMU单元用于采集第二车辆状态信息和环境信息，并将第二车辆状态信息和环境信息发送给纵横垂耦合域控制器12。

本实施例中，可以通过摄像头和雷达等多类传感器采集车辆周围的障碍物、路面的坡道以及路面不平度等道路信息和车身周围环境信息，汇总成环境信息发送给纵横垂耦合域控制器12。除此之外，还可以通过GPS单元和IMU单元采集第二车辆状态信息。示例性的，第二车辆状态信息可以包括：车速、经纬度/位置、车身姿态(例如，俯仰角、侧倾角、横摆角及其速度等)。如此以来，纵横垂耦合域控制器12便可以基于环境信息、第一车辆状态信息和第二车辆状态信息计算出车辆当前状态和车辆目标状态等信息。

图8为本发明实施例提供的车辆纵横垂耦合域控制系统的详细架构图，各个模块和子模块之间的连接关系具体可以参照图8。

本发明实施例还提供了一种车辆，包括如上第一方面或第一方面的任一种可能的实现方式所述的车辆纵横垂耦合域控制系统1。

本发明实施例还提供了一种车辆纵横垂耦合域控制方法，基于如上第一方面或第一方面的任一种可能的实现方式所述的车辆纵横垂耦合域控制系统1，图9为本发明实施例提供的车辆纵横垂耦合域控制方法的实现流程图，请一并参照图1和图9，车辆纵横垂耦合域控制方法包括：

步骤901：获取车辆状态信息和环境信息。

在步骤901中，获取车载传感系统11采集的车辆状态信息和环境信息，以便于后续纵横垂耦合域控制器基于车辆状态信息和环境信息进行数据处理和分析，生成控制纵横垂耦合执行系统中各执行构件动作的控制报文。

步骤902：根据车辆状态信息和环境信息生成控制报文，以使纵横垂耦合执行系统根据控制报文对车辆纵向、横向以及垂向进行控制。

在步骤902中，纵横垂耦合域控制器12对车辆状态信息和环境信息进行分析计算，生成控制纵横垂耦合执行系统中各执行构件动作的控制报文。如此一来，纵横垂耦合执行系统13即可根据控制报文对车辆纵向、横向以及垂向进行控制，从而实现对车辆纵横垂三向的多自由度控制。

本发明实施例提供一种车辆纵横垂耦合域控制方法，通过将车载传感系统采集的车辆状态信息和环境信息发送至纵横垂耦合域控制器，进而纵横垂耦合域控制器基于车辆状态信息和环境信息生成控制报文，并发送至纵横垂耦合执行系统，然后纵横垂耦合执行系统根据控制报文对车辆纵向、横向以及垂向进行相应控制。如此一来，兼顾了车辆纵向、横向以及垂向自由度的优化协调控制，改善了车辆控制的精确性与安全性，从而通过多自由度的精确控制有效地保证了分布式驱动车辆全工况下行驶的稳定性与平顺性。

应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

图10为本发明实施例提供的电子设备的示意图。如图10所示，该实施例的电子设备5包括：处理器50、存储器51以及存储在所述存储器51中并可在所述处理器50上运行的计算机程序52。所述处理器50执行所述计算机程序52时实现上述车辆纵横垂耦合域控制方法实施例中的步骤，例如图9所示的步骤901至步骤902。

示例性的，所述计算机程序52可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器51中，并由所述处理器50执行，以完成本发明。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序52在所述电子设备5中的执行过程。

所述电子设备5可以包括如上第一方面或第一方面的任一种可能的实现方式所述的车辆纵横垂耦合域控制系统1。所述电子设备5可包括，但不仅限于，处理器50、存储器51。本领域技术人员可以理解，图10仅仅是电子设备5的示例，并不构成对电子设备5的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述电子设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。

所称处理器50可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(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、分立硬件组件等。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。

所述存储器51可以是所述电子设备5的内部存储单元，例如电子设备5的硬盘或内存。所述存储器51也可以是所述电子设备5的外部存储设备，例如所述电子设备5上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card，SMC)，安全数字(Secure Digital，SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述存储器51还可以既包括所述电子设备5的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器51用于存储所述计算机程序以及所述电子设备所需的其他程序和数据。所述存储器51还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的电子设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的电子设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述车辆纵横垂耦合域控制方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括是电载波信号和电信信号。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种车辆纵横垂耦合域控制系统，其特征在于，包括：车载传感系统、纵横垂耦合域控制器以及纵横垂耦合执行系统；

所述车载传感系统，第一端连接所述纵横垂耦合域控制器的第一端，第二端连接所述纵横垂耦合执行系统的第一端，用于采集车辆状态信息和环境信息，并将所述车辆状态信息和所述环境信息发送给所述纵横垂耦合域控制器；

所述纵横垂耦合域控制器，第二端连接所述纵横垂耦合执行系统的第二端，用于接收所述车辆状态信息和所述环境信息，基于所述车辆状态信息和所述环境信息生成控制报文，并将所述控制报文发送给所述纵横垂耦合执行系统；

所述纵横垂耦合执行系统用于接收所述控制报文，并根据所述控制报文对车辆纵向、横向以及垂向进行控制。

2.根据权利要求1所述的车辆纵横垂耦合域控制系统，其特征在于，所述纵横垂耦合域控制器包括：车-电-路耦合模型模块、驾驶意图识别模块以及多模式协调切换控制模块；

所述车-电-路耦合模型模块，第一端连接所述车载传感系统的第一端，第二端连接所述驾驶意图识别模块的第一端，第三端连接所述多模式协调切换控制模块的第一端，用于接收所述车辆状态信息和所述环境信息，基于纵横垂耦合动力学模型、所述车辆状态信息和所述环境信息计算车辆纵向、横向以及垂向的第一动力响应，以及基于路面响应特性模型、所述车辆状态信息和所述环境信息计算当车辆行驶过路面时路面对车辆的第二动力响应，以及基于电机运动及响应特性模型、所述车辆状态信息和所述环境信息计算电机转动和电磁激励对车辆的第三动力响应，以及根据所述第一动力学响应、所述第二动力学响应和所述第三动力学响应确定车辆当前状态，并将所述车辆当前状态发送给所述驾驶意图识别模块和所述多模式协调切换控制模块；

所述驾驶意图识别模块，第二端连接所述多模式协调切换控制模块的第一端，用于接收所述车辆当前状态，根据所述车辆当前状态和驾驶员操作反馈信息确定车辆目标状态，并将所述车辆目标状态发送给所述多模式协调切换控制模块；

所述多模式协调切换控制模块，第二端连接所述纵横垂耦合执行系统的第二端，用于接收所述车辆当前状态和所述车辆目标状态，根据所述车辆状态信息、所述环境信息、所述车辆当前状态和所述车辆目标状态仲裁工况复杂度，并基于所述工况复杂度确定车辆驾驶模式的切换控制指令。

3.根据权利要求2所述的车辆纵横垂耦合域控制系统，其特征在于，所述纵横垂耦合域控制器还包括：参数计算模块；

所述车-电-路耦合模型模块的第一端通过所述参数计算模块的第一端、所述参数计算模块的第二端连接所述车载传感系统的第一端；

所述参数计算模块的第三端连接所述多模式协调切换控制模块的第一端，用于对所述车辆状态信息和所述环境信息进行数据滤波和数据融合的预处理，基于预处理后的车辆状态信息和环境信息计算车身位姿、道路形貌和路面参数，并将所述车身位姿、所述道路形貌和所述路面参数发送给所述车-电-路耦合模型模块和所述多模式协调切换控制模块。

4.根据权利要求3所述的车辆纵横垂耦合域控制系统，其特征在于，所述参数计算模块包括：环境感知模块和参数估计模块；

所述环境感知模块，第一端连接所述车载传感系统的第一端，第二端连接所述参数估计模块的第一端，第三端连接所述多模式协调切换控制模块的第一端，用于对所述车辆状态信息和所述环境信息进行数据滤波和数据融合的预处理，得到目标车辆状态信息和目标环境信息，并将所述目标车辆状态信息和所述目标环境信息发送给所述参数估计模块和所述多模式协调切换控制模块；

所述参数估计模块，第二端连接所述车-电-路耦合模型模块的第一端，第三端连接所述多模式协调切换控制模块的第一端，用于接收所述目标车辆状态信息和所述目标环境信息，基于所述目标车辆状态信息计算车身位姿，基于所述目标环境信息估计道路形貌和路面参数，并将所述车身位姿、所述道路形貌和所述路面参数发送给所述车-电-路耦合模型模块和所述多模式协调切换控制模块。

5.根据权利要求3所述的车辆纵横垂耦合域控制系统，其特征在于，所述纵横垂耦合域控制器还包括：安全诊断与容错模块；

所述安全诊断与容错模块，第一端分别连接所述车-电-路耦合模型模块的第三端、所述驾驶意图识别模块的第二端以及所述参数计算模块的第三端，第二端连接所述多模式协调切换控制模块的第三端，用于接收所述车辆当前状态和所述车辆目标状态，根据所述车辆当前状态和所述车辆目标状态确定车辆行驶安全程度，根据所述车载传感系统、所述纵横垂耦合域控制器与所述纵横垂耦合执行系统三者之间的通讯状态诊断所述车辆纵横垂耦合域控制系统的运行状态，以及根据所述车辆行驶安全程度和所述运行状态对所述纵横垂耦合执行系统中的失效构件进行容错补偿，并将容错补偿结果发送给所述多模式协调切换控制模块；

所述多模式协调切换控制模块，用于根据所述容错补偿结果、所述目标车辆状态信息、所述目标环境信息、所述车辆当前状态以及所述车辆目标状态仲裁所述工况复杂度，基于所述工况复杂度确定车辆驾驶模式的切换控制指令，并根据所述容错补偿结果和所述切换控制指令生成所述控制报文，并将所述控制报文发送给所述纵横垂耦合执行系统。

6.根据权利要求1所述的车辆纵横垂耦合域控制系统，其特征在于，所述纵横垂耦合执行系统包括：纵向单元、横向单元以及垂向单元；

所述纵向单元的第一端、所述横向单元的第一端以及所述垂向单元的第一端均连接所述车载传感系统的第二端；

所述纵向单元的第二端、所述横向单元的第二端以及所述垂向单元的第二端均连接所述纵横垂耦合域控制器的第二端；

所述纵向单元用于基于所述控制报文控制车辆的驱动电机转速、电机负反馈电流以及轮胎滑移率；

所述横向单元用于基于所述控制报文控制车辆的转向电机角度和转向电机转速；

所述垂向单元用于基于所述控制报文控制车辆的悬架阻尼、悬架刚度以及悬架动挠度。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的车辆纵横垂耦合域控制系统，其特征在于，所述车辆状态信息包括第一车辆状态信息和第二车辆状态信息；其中，所述第一车辆状态信息用于表征在所述纵横垂耦合执行系统根据所述控制报文对车辆纵向、横向以及垂向进行控制之后，车辆纵向、横向以及垂向的信息，所述第二车辆状态信息用于表征车辆位姿信息；

所述车载传感系统包括：执行机构监测系统；

所述执行机构监测系统的第一端连接所述纵横垂耦合域控制器的第一端，第二端连接所述纵横垂耦合执行系统的第一端，用于采集所述第一车辆状态信息，并将所述第一车辆状态信息发送给所述纵横垂耦合域控制器。

8.根据权利要求7所述的车辆纵横垂耦合域控制系统，其特征在于，所述车载传感系统还包括：摄像头、雷达、GPS单元以及IMU单元；

所述摄像头的第一端、所述雷达的第一端、所述GPS单元的第一端以及所述IMU单元的第一端均连接所述纵横垂耦合域控制器的第一端；

所述摄像头、所述雷达、所述GPS单元以及所述IMU单元用于采集所述第二车辆状态信息和所述环境信息，并将所述第二车辆状态信息和所述环境信息发送给所述纵横垂耦合域控制器。

9.一种车辆，其特征在于，包括如权利要求1至8中任一项所述的车辆纵横垂耦合域控制系统。

10.一种车辆纵横垂耦合域控制方法，其特征在于，基于如权利要求1至8中任一项所述的车辆纵横垂耦合域控制系统，所述车辆纵横垂耦合域控制方法包括：

获取车辆状态信息和环境信息；

根据所述车辆状态信息和所述环境信息生成控制报文，以使纵横垂耦合执行系统根据所述控制报文对车辆纵向、横向以及垂向进行控制。