[發(fā)明專利]一種彎道防側滑側翻自動控制系統(tǒng)及方法有效
| 申請?zhí)枺?/td> | 201310086584.4 | 申請日： | 2013-03-19 |
| 公開（公告）號： | CN103121447A | 公開（公告）日： | 2013-05-29 |
| 發(fā)明（設計）人： | 郭烈;黃曉慧;劉寶印;李琳輝;趙一兵;岳明;孫淑軍;李兵;任澤建;張廣西 | 申請（專利權）人： | 大連理工大學 |
| 主分類號： | B60W30/02 | 分類號： | B60W30/02;B60W40/105 |
| 代理公司： | 大連星海專利事務所 21208 | 代理人： | 徐淑東 |
| 地址： | 116024 遼*** | 國省代碼： | 遼寧;21 |
| 權利要求書： | 查看更多 | 說明書： | 查看更多 |
| 摘要： | |||
| 搜索關鍵詞： | 一種 彎道 防側滑側翻 自動控制系統(tǒng) 方法 | ||
1.一種彎道防側滑側翻自動控制系統(tǒng)，其特征在于，采用車載自動控制系統(tǒng)對智能車輛進行控制，所述的車載自動控制系統(tǒng)包括：彎道曲率識別模塊、安全車速計算模塊、安全狀態(tài)判斷模塊及系統(tǒng)自動控制模塊，上述模塊依次信號連接；
所述彎道曲率識別模塊用于實時檢測前方彎道的曲率信息，通過以下過程實現(xiàn)：
彎道曲率識別模塊利用車載CCD獲取道路圖像，通過圖像預處理，采用Hough變換法擬合道路模型并重建彎道車道線；
攝像機的光軸與地面平行，由于在高速公路上，地面坡度很小，假設路面上任意一點的Y坐標相等，均為攝像機光心到地面的距離H；對于空間任意一點P，其世界坐標(X，Y，Z)與圖像坐標(x，y)存在如下關系，即移動透視投影中心與全局坐標系原點一致：
其中，(X，Y，Z)為世界坐標；(x，y)為圖像坐標；H為攝像機光心到地面的距離；f為焦距；
利用坐標變換對車道線圖像進行轉換，任取空間內車道邊緣線上的四組點，每組各三個點，其世界坐標分別為P1(X1，Y1，Z1)、P2(X2，Y2，Z2)、P3(X3，Y3，Z3)，將其分別代入圓弧公式
其中，(a，b)為圓弧形車道線的圓心；R為車道線的曲率半徑；
計算得四組曲率半徑值R1、R2、R3和R4，分別與利用車載GPS/GIS系統(tǒng)輸出的道路坐標所估計的道路曲率相比較，在誤差允許范圍內為可靠曲率信息，求可靠曲率半徑的平均值即為前方彎道的曲率半徑；
所述安全車速計算模塊用于計算彎道臨界安全車速v，通過以下過程實現(xiàn)：
安全車速計算模塊計算彎道臨界安全車速v；
當車輛彎道行駛時產(chǎn)生的離心力小于或者等于路面附著力時，汽車不發(fā)生側滑；同時要考慮路面超高可抵消部分離心力，計算公式為：
其中，F為汽車行駛時產(chǎn)生的離心力；Fh為路面超高抵消的部分離心力；Fx為地面附著力；m為汽車質量；v1為不發(fā)生側滑的安全車速；R為彎道曲率半徑；ih為路面超高的橫坡度；φ為橫向附著系數(shù)；g為重力加速度；
得到車輛不發(fā)生側滑的安全車速v1，計算公式為：
其中，v1為不發(fā)生側滑的安全車速，φ為橫向附著系數(shù)，g為重力加速度，R為彎道曲率半徑，ih為路面超高的橫坡度；
車輛彎道行駛時，不發(fā)生側翻的條件是側傾力矩不大于回正力矩，考慮路面超高的計算公式為：
其中，ΣMф為由汽車離心力引起的側傾力矩；ΣM為由路面超高所抵消的部分離心力引起的側傾力矩；ΣT為回正力矩；m為汽車質量；v2為不發(fā)生側翻的安全車速；R為彎道曲率半徑；h為車輛質心高度；Fh為路面超高抵消的部分離心力；g為重力加速度；b為輪距；ih為路面超高的橫坡度；φ為橫向附著系數(shù)；
計算得到車輛不發(fā)生側翻的安全車速v2，計算公式為：
其中，v2為不發(fā)生側翻的安全車速，b為輪距，h為車輛質心高度，g為重力加速度，R為彎道曲率半徑，ih為路面超高的橫坡度，φ為橫向附著系數(shù)；
為保證車輛彎道行駛的安全性，避免出現(xiàn)側滑和側翻等危險工況，車速須同時滿足上述兩種約束條件，即
上式取等號時，v為臨界安全車速，v1為不發(fā)生側滑的安全車速，v2為不發(fā)生側翻的安全車速；
所述安全狀態(tài)判斷模塊對當前車速和臨界安全車速v進行判斷，包括兩種情況：
當當前車速大于臨界安全車速v時，系統(tǒng)自動報警，報警信號輸入車載微處理器，操縱系統(tǒng)自動控制模塊的控制器作用，車輛自動制動減速，在整個制動減速過程中，若車速處于高速區(qū)段，理想減速度不斷增加；當車速降至低速區(qū)段時，為避免制動減速度過大，理想減速度保持不變直至車速減為安全車速，通過彎道，由此設置縱向制動減速度?，即：
其中：a1，a2為正實數(shù)；0~t1為高速區(qū)段；t1~t2為低速區(qū)段；?
所述系統(tǒng)自動控制模塊的作用是適時調控車輛運行狀態(tài)，實現(xiàn)直道自動減速和彎道車道保持，包括：運動學控制器及動力學控制器；
所述運動學控制器的功能是：當當前車速大于臨界安全車速v時，車輛進入直道自動制動減速階段，具體過程如下：
首先，車載微處理器接收系統(tǒng)報警信號，在以車輛為參考的局部坐標系Mij下，設定系統(tǒng)任意初始誤差pe=[xeyeθe]T；
然后，根據(jù)運動學控制律
其中，?k1，k2，k3均為正實數(shù)；l為前后輪的軸間距；vr為參考線速度；φr為參考前輪轉向角；vc為期望線速度；φc為期望前輪轉向角；pe=[xeyeθe]T為局部坐標系下車輛運動的位姿誤差；
確定有界控制輸入，跟蹤局部坐標系下的車輛參考位姿pr=[xr?yrθr]T，從而實現(xiàn)時；
其中，p為車輛當前位姿；pr為局部坐標系下車輛參考位姿；
最后，系統(tǒng)控制信號期望線速度和前輪轉向角輸入車載微處理器，操縱系統(tǒng)自動控制模塊的運動學控制器作用，使得車輛當前運行速度v減至此時的臨界安全車速vc；
所述動力學控制器的功能是：當當前車速小于或者等于臨界安全車速v時，智能車輛進入彎道保持階段并順利通過彎道，具體過程如下：
首先，車輛當前車速v由車載傳感器測得，與車輛期望運行速度vc同時輸入車載微處理器；?
然后，根據(jù)動力學控制律
其中，α1，α2>0；β1，β2>0；m為汽車質量；l為前后輪的軸間距；I為車輛繞垂直軸的轉動慣量；v為車輛后軸中心點的線速度；φ為前輪轉向角；vc為期望線速度；φc為期望前輪轉向角；ev為速度系統(tǒng)誤差；eφ為前輪轉角系統(tǒng)誤差；sv(t)為PI型速度滑模面；sφ(t)為PI型前輪轉角滑模面；
確定有界控制輸入，跟蹤車輛期望運行速度，從而實現(xiàn)時；
其中，v為車輛實際運行速度；vc為車輛期望運行速度；
最后，系統(tǒng)控制信號驅動/制動力和轉動力矩輸入車載微處理器，操縱系統(tǒng)自動控制模塊的動力學控制器作用，使得車輛以當前運行速度v安全通過彎道。
2.一種彎道防側滑側翻自動控制方法，具體包括以下步驟：
步驟1：彎道曲率識別模塊利用車載GPS/GIS系統(tǒng)輸出的道路坐標估計道路曲率，并且利用車載CCD獲取道路圖像，通過處理圖像、擬合道路模型來計算彎道半徑，獲取前方彎道的曲率信息；
步驟2：將獲取的彎道曲率半徑信息轉化為數(shù)字信號，輸入車載微處理器后，安全車速計算模塊計算彎道臨界安全車速v；
當車輛彎道行駛時產(chǎn)生的離心力小于或者等于路面附著力時，汽車不發(fā)生側滑；同時要考慮路面超高可抵消部分離心力，計算公式為：
其中，F為汽車行駛時產(chǎn)生的離心力；Fh為路面超高抵消的部分離心力；Fx為地面附著力；m為汽車質量；v1為不發(fā)生側滑的安全車速；R為彎道曲率半徑；ih為路面超高的橫坡度；φ為橫向附著系數(shù)；g為重力加速度；
得到車輛不發(fā)生側滑的安全車速v1，計算公式為：
其中，v1為不發(fā)生側滑的安全車速，φ為橫向附著系數(shù)，g為重力加速度，R為彎道曲率半徑，ih為路面超高的橫坡度；
車輛彎道行駛時，不發(fā)生側翻的條件是側傾力矩不大于回正力矩，考慮路面超高的計算公式為：
其中，ΣMф為由汽車離心力引起的側傾力矩；ΣM為由路面超高所抵消的部分離心力引起的側傾力矩；ΣT為回正力矩；m為汽車質量；v2為不發(fā)生側翻的安全車速；R為彎道曲率半徑；h為車輛質心高度；Fh為路面超高抵消的部分離心力；g為重力加速度；b為輪距；ih為路面超高的橫坡度；φ為橫向附著系數(shù)；
計算得到車輛不發(fā)生側翻的安全車速v2，計算公式為：
其中，v2為不發(fā)生側翻的安全車速，b為輪距，h為車輛質心高度，g為重力加速度，R為彎道曲率半徑，ih為路面超高的橫坡度，φ為橫向附著系數(shù)；
為保證車輛彎道行駛的安全性，避免出現(xiàn)側滑和側翻等危險工況，車速須同時滿足上述兩種約束條件，即
上式取等號時，v為臨界安全車速，v1為不發(fā)生側滑的安全車速，v2為不發(fā)生側翻的安全車速；
步驟3：運用車載傳感器測得當前車速，在車載微處理器中，安全狀態(tài)判斷模塊對當前車速和臨界安全車速v進行判斷，包括兩種情況：
當當前車速大于臨界安全車速v時，系統(tǒng)自動報警，報警信號輸入車載微處理器，操縱系統(tǒng)自動控制模塊的控制器作用，車輛自動制動減速，在整個制動減速過程中，若車速處于高速區(qū)段，理想減速度不斷增加；當車速降至低速區(qū)段時，為避免制動減速度過大，理想減速度保持不變直至車速減為安全車速，通過彎道，由此設置縱向制動減速度?，即：
其中：a1，a2為正實數(shù)；0~t1為高速區(qū)段；t1~t2為低速區(qū)段；?
步驟4：系統(tǒng)自動控制模塊控制智能車輛順利通過彎道，包括以下步驟：
步驟4.1：當當前車速大于臨界安全車速v時，運動學控制器控制車輛進入直道自動制動減速階段，包括以下子步驟：
步驟4.1.1：車載微處理器接收系統(tǒng)報警信號，在以車輛為參考的局部坐標系Mij下，設定系統(tǒng)任意初始誤差pe=[xeyeθe]T；
步驟4.1.2：根據(jù)運動學控制律
其中，?k1，k2，k3均為正實數(shù)；l為前后輪的軸間距；vr為參考線速度；φr為參考前輪轉向角；vc為期望線速度；φc為期望前輪轉向角；pe=[xeyeθe]T為局部坐標系下車輛運動的位姿誤差；
確定有界控制輸入，跟蹤局部坐標系下的車輛參考位姿pr=[xr?yrθr]T，從而實現(xiàn)時；
其中，p為車輛當前位姿；pr為局部坐標系下車輛參考位姿；
步驟4.1.3：系統(tǒng)控制信號期望線速度和前輪轉向角輸入車載微處理器，操縱系統(tǒng)自動控制模塊的運動學控制器作用，使得車輛當前運行速度v減至此時的臨界安全車速vc；
步驟4.2：當當前車速小于或者等于臨界安全車速v時，動力學控制器控制智能車輛進入彎道保持階段并順利通過彎道，包括以下子步驟：
步驟4.2.1：車輛當前車速v由車載傳感器測得，與車輛期望運行速度vc同時輸入車載微處理器；?
步驟4.2.2：根據(jù)動力學控制律
其中，α1，α2>0；β1，β2>0；m為汽車質量；l為前后輪的軸間距；I為車輛繞垂直軸的轉動慣量；v為車輛后軸中心點的線速度；φ為前輪轉向角；vc為期望線速度；φc為期望前輪轉向角；?ev為速度系統(tǒng)誤差；eφ為前輪轉角系統(tǒng)誤差；sv(t)為PI型速度滑模面；sφ(t)為PI型前輪轉角滑模面；
確定有界控制輸入，跟蹤車輛期望運行速度，從而實現(xiàn)時；
其中，v為車輛實際運行速度；vc為車輛期望運行速度；
步驟4.2.3：系統(tǒng)控制信號驅動/制動力和轉動力矩輸入車載微處理器，操縱系統(tǒng)自動控制模塊的動力學控制器作用，使得車輛以當前運行速度v安全通過彎道。
該專利技術資料僅供研究查看技術是否侵權等信息，商用須獲得專利權人授權。該專利全部權利屬于大連理工大學，未經(jīng)大連理工大學許可，擅自商用是侵權行為。如果您想購買此專利、獲得商業(yè)授權和技術合作，請聯(lián)系【客服】
本文鏈接：http://www.szxzyx.cn/pat/books/201310086584.4/1.html，轉載請聲明來源鉆瓜專利網(wǎng)。
