[發明專利]用于無人駕駛車輛高速運動規劃的車輛動力學模型建模方法

有效

• 申請號: 201610982548.X
• 申請日: 2016-11-09
• 公開（公告）號: CN106649983B
• 公開（公告）日: 2019-11-08
• 發明（設計）人: 高炳釗;陶偉男;褚洪慶;陳虹
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司 22201
• 代理人: 朱世林;張巖

本發明提供了一種用于無人駕駛車輛高速運動規劃的車輛動力學模型建模方法，通過對車輛動力學模型合理的簡化和恰當的計算方法，對車輛高速工況下的運動狀態進行準確估計。先建立考慮車輛橫擺運動和側向運動的二自由度車輛模型，再由前輪轉角、側偏角、質心側偏角之間的幾何關系、輪胎側向力和側向加速度的力學關系建立系統的動力學方程，最后采用合理的數值計算方法對建立的車輛動力學微分方程進行求解，得到車輛穩態運動時的狀態參數，如曲率半徑、橫擺角速度和輪胎側向力等參數，從而為車輛的路徑規劃提供依據。通過對實車試驗和仿真結果對比，該模型能準確、快速地計算出車輛的運動狀態且算法簡單、易于實現，能夠滿足無人車輛對實時性的要求。

技術領域

本發明屬機械工程技術領域，涉及一種車輛動力學模型的建模方法，具體涉及一種用于無人駕駛車輛高速運動規劃的車輛動力學模型建模方法，適用于無人車輛運行的各種工況。

背景技術

無人駕駛車輛是地面無人駕駛車輛的一種，在未來智能交通系統中有很大的發展空間。無人駕駛主要由任務決策模塊、環境感知模塊、運動規劃模塊和車輛平臺子系統配合來實現。其中，運動規劃模塊可以根據車輛當前狀態、環境信息、任務需求以及車輛動力學模型的約束生成控制信號，并通過控制油門、剎車和方向盤轉角對實際車輛的運動進行控制。在這一過程中，選擇合理的車輛動力學模型特別是在汽車高速運動的時候尤為重要。

與移動機器人不同，在生成汽車的目標運動路徑和運動軌跡時，無人駕駛車輛要考慮實際車輛運動學和動力學的約束，即在保證安全性的前提下，車輛能否沿著目標路徑運動。例如，在某一曲率半徑的路徑下運動，車輛需要多大的車速和多大的方向盤轉角；車輛在轉向時，輪胎的側向力和縱向力的合力是否超過路面和輪胎的附著極限；車輛的側向加速度的大小是否會影響乘坐舒適性；對車輛的運動要求是否滿足操縱穩定性的約束，尤其是在車輛高速運動時，對控制策略的準確性和可行性提出了更為苛刻的要求。解決這些問題的關鍵是建立合理的車輛動力學模型，能夠計算出車輛在某一工況下的各項指標，比如輪胎側向力，且車輛模型要計算簡單，能在汽車ECU中實現，滿足實時性要求。

目前，車輛動力學理論已經發展較為完善。其中，多自由度汽車模型能很好的模擬實際車輛運行狀況，但計算復雜，不能滿足實時性要求；廣泛采用的線性二自由度車輛模型亦沒有考慮輪胎的非線性特性，在汽車高速運動時模型不準確。中國專利CN 104773173 A公開了一種設計狀態觀測器，能夠很好地估計車輛當前行駛狀態信息，但不能用于運動規劃中的車輛狀態預測。鑒于此，急需研發一種用于無人駕駛車輛高速運動規劃的車輛動力學模型建模方法，該方法建立的車輛動力學模型既考慮到輪胎的非線性特性，又能滿足高速運動工況，能夠很好地用于汽車高速運動規劃。

發明內容

本發明的目的就在于針對上述現有技術的不足，提供一種用于無人駕駛車輛高速運動規劃的車輛動力學模型建模方法，該方法通過車輛模型建立動力學約束，從而更好的進行運動規劃。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

一種用于無人駕駛車輛高速運動規劃的車輛動力學模型建模方法，包括以下步驟：

A、通過非線性的輪胎模型以及多項式擬合建立前輪側向力和后輪側向力與側偏角的關系：

F_y1＝-e·(0.04434·α₁⁵-9.432·α₁³+908·α₁) (2)

F_y2＝-(0.04788·α₂⁵-9.436·α₂³+795.8·α₂) (3)