[發(fā)明專利]一種自動(dòng)駕駛緊急避讓的失穩(wěn)可控域的判定方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810675366.7
• 申請(qǐng)日: 2018-06-27
• 公開（公告）號(hào): CN108909703B
• 公開（公告）日: 2020-05-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 武健;徐廣飛;吳海榮
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 聊城大學(xué)
• 主分類號(hào): B60W30/02
• 分類號(hào): B60W30/02;B60W40/10
• 代理公司: 山東舜天律師事務(wù)所 37226
• 代理人: 李新海

1.一種自動(dòng)駕駛緊急避讓的失穩(wěn)可控域的判定方法，其特征在于包含以下步驟：

(1)確定失穩(wěn)可控狀態(tài)：車輛在行駛過程中，突遇障礙物，通過操縱使后輪側(cè)滑失穩(wěn)產(chǎn)生橫擺角速度激增，突破動(dòng)力學(xué)約束同時(shí)保持車身可控，實(shí)現(xiàn)車輛的快速橫擺轉(zhuǎn)動(dòng)，在避障前達(dá)到空間約束要求的最小車身橫擺角，完成失穩(wěn)避讓，將此過程中汽車的后軸側(cè)滑失穩(wěn)車身可控動(dòng)力學(xué)狀態(tài)定義為失穩(wěn)可控狀態(tài)；

(2)確定失穩(wěn)可控域：其為汽車失穩(wěn)可控狀態(tài)的集合。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)駕駛緊急避讓的失穩(wěn)可控域的判定方法，其特征在于：所述的失穩(wěn)可控域通過構(gòu)建車輛失穩(wěn)可控域計(jì)算系統(tǒng)模型，對(duì)構(gòu)建的車輛失穩(wěn)可控域計(jì)算系統(tǒng)模型進(jìn)行中心流降維來求解系統(tǒng)平衡點(diǎn)；利用非線性穩(wěn)定性分析方法得到前輪轉(zhuǎn)角和后輪制動(dòng)力鞍結(jié)分岔失穩(wěn)演化規(guī)律；圍繞鞍結(jié)分岔點(diǎn)利用搜索法確定越過鞍結(jié)分岔點(diǎn)的失穩(wěn)可控域范圍。

3.根據(jù)權(quán)利 要求1所述一種自動(dòng)駕駛緊急避讓的失穩(wěn)可控域的判定方法，其特征在于包括以下方法步驟：

第一步 建立車輛失穩(wěn)可控域計(jì)算系統(tǒng)模型，建立車輛的三自由度模型，同時(shí)涵蓋縱向、側(cè)向、橫擺、側(cè)傾以及輪胎多個(gè)自由度，模型微分方程為：

其中，β為質(zhì)心側(cè)偏角，γ為橫擺角速度，φ為質(zhì)心側(cè)傾角，u為縱向車速，m、m_s為汽車的總質(zhì)量和懸掛質(zhì)量，l_f、l_r為質(zhì)心到前后軸的距離，為側(cè)傾剛度和側(cè)傾阻尼，I_zz為汽車關(guān)于橫擺軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，I_xx為汽車關(guān)于側(cè)傾軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，h為懸掛質(zhì)量質(zhì)心到側(cè)傾軸的距離，F(xiàn)_fl、F_fr為汽車前左輪和前右輪轉(zhuǎn)向力，F(xiàn)_rl、F_rr為汽車后左輪和后右輪轉(zhuǎn)向力；

輪胎的滑移率方程為：

其中，u_sx為輪速，λ₀表示輪胎的滑移率，u為車速，ω為輪胎的轉(zhuǎn)速，R為輪胎的半徑；

輪胎模型選取考慮非線性的Pacejka魔術(shù)輪胎公式：

Y(x)＝Dsin[Carctan{Bx-E(Bx-arctan(Bx))}] (3)

其中，x表示側(cè)偏角或滑移率，y為側(cè)向力，B為剛度控制系數(shù)，C為曲線形態(tài)控制系數(shù)，D分別為曲線最大值，E為對(duì)D的變化情況控制系數(shù)；

前后輪側(cè)偏角為：

其中，α_f、α_r分別為前后輪側(cè)偏角，δ_f為前輪轉(zhuǎn)角；

第二步 利用分岔理論計(jì)算車輛失穩(wěn)可控的聯(lián)動(dòng)控制區(qū)域，首先選取失穩(wěn)可控區(qū)域計(jì)算所需的狀態(tài)變量分別為橫擺角速度γ、質(zhì)心側(cè)偏角β、質(zhì)心側(cè)傾角及角加速度滑移率λ₀，分岔參數(shù)τ的選取分別為車速u、前輪轉(zhuǎn)角δ、四輪轉(zhuǎn)向力F_fl、F_fr、F_rl、F_rr；

利用步驟一所建立系統(tǒng)模型書寫系統(tǒng)的狀態(tài)方程，即：

其中，A、B分別為系統(tǒng)微分方程系數(shù)，U為控制輸入量；

可以簡(jiǎn)寫為其中，x為狀態(tài)變量，τ為分岔參數(shù)；

第三步 前輪轉(zhuǎn)向以及后輪制動(dòng)力鞍結(jié)分岔失穩(wěn)演化規(guī)律獲得，包括以下步驟：

(1)針對(duì)高維非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)解析方法不能求解平衡點(diǎn)問題，需采用中心流形法將高維系統(tǒng)進(jìn)行降維；

動(dòng)力學(xué)n維非線性系統(tǒng)可表示為設(shè)矩陣A的特征值的重?cái)?shù)與特征向量所張成的子空間維數(shù)相同，其中n₁個(gè)特征值有負(fù)實(shí)部，n₂個(gè)特征值有零實(shí)部，n₃個(gè)特征值有正實(shí)部，則n₁+n₂+n₃＝n；記矩陣的特征值η_i(i＝1，2……n)對(duì)應(yīng)的特征向量ρ_i，則由實(shí)部為負(fù)、實(shí)部為零和實(shí)部為正的特征根對(duì)應(yīng)的特征向量組成的子空間分別稱為穩(wěn)定子空間、中心子空間和不穩(wěn)定子空間，分別用E₁、E₂和E₃表示；

對(duì)非線性系統(tǒng)f是對(duì)應(yīng)向量場(chǎng)，設(shè)原點(diǎn)是平衡點(diǎn)，則可在原點(diǎn)處對(duì)系統(tǒng)線性化，并定義為非線性系統(tǒng)在原點(diǎn)處的線性化系統(tǒng)，其中A為原點(diǎn)處的雅可比矩陣A＝D_xf(0)，其中，D_x為f(x)在x附近的微分；則由矩陣A的負(fù)實(shí)部、零實(shí)部和正實(shí)部特征根對(duì)應(yīng)的特征向量張成的子空間E₁、E₂和E₃分別稱為局部穩(wěn)定子空間、局部中心子空間和局部不穩(wěn)定子空間，在非線性系統(tǒng)中一般僅關(guān)心平衡點(diǎn)鄰域的動(dòng)力學(xué)特性，與其相切的流形分別稱為局部穩(wěn)定流形、局部中心流形和局部不穩(wěn)定流形分別用W₁、W₂、W₃表示，都屬于局部不變流形；

給定非奇異變換矩陣T將系統(tǒng)的雅可比矩陣A＝D_xf(0)化為對(duì)角塊的形式，即

其中B和C分別為n₂×n₂和n₁×n₁矩陣，他們特征值分別具有零實(shí)部和負(fù)實(shí)部，n₁＝dimE₁，n₂＝dimE₂，n₁+n₂＝n，令x＝Ty，其中則有：

在原點(diǎn)領(lǐng)域內(nèi)把W₂表示為v＝h(u)帶入上式并運(yùn)用鏈?zhǔn)角髮?dǎo)法則得：

其中，g₂為G(u,v)的導(dǎo)函數(shù)；

H(u)的微分方程為：

Dh(u)[Au+g₁(u,h(u))]-Bh(u)-g₂(u,h(u))＝0 (9)

其中，g₁為F(u,v)的導(dǎo)函數(shù)；

由于W₂經(jīng)過原點(diǎn)并與E₂相切，因此，h(u)滿足h(0)＝0,Dh(0)＝0，帶入方程(9)并結(jié)合方程(7)即可求得中心流降維方程；

(2)求解汽車極限系統(tǒng)平衡點(diǎn)，并分析在前輪轉(zhuǎn)向和后輪制動(dòng)力輸入下，系統(tǒng)平衡點(diǎn)的變化規(guī)律；

對(duì)非線性動(dòng)力系統(tǒng)求雅可比矩陣，可分別得出不同分岔參數(shù)車速u、前輪轉(zhuǎn)角δ、四輪轉(zhuǎn)向力F_fl、F_fr、F_rl、F_rr，路面附著系數(shù)μ的平衡點(diǎn)；綜合考慮各參數(shù)之間的耦合影響程度，可得出平衡點(diǎn)的變化規(guī)律；

(3)在不同附著路面，利用非線性穩(wěn)定性分析方法得出前輪轉(zhuǎn)角和后輪制動(dòng)力鞍結(jié)分岔失穩(wěn)演化規(guī)律；

使系統(tǒng)微分方程等式左端等于零，求解非線性代數(shù)方程組可得到系統(tǒng)的平衡點(diǎn)，設(shè)x_e1、x_e2、x_e3、x_e4是一組平衡點(diǎn)，則由系統(tǒng)微分方程可以得到系統(tǒng)在該平衡點(diǎn)處的雅可比矩陣：

雅可比矩陣的特征方程為：

c₀λ⁴+c₁λ³+c₂λ²+c₃λ+c₄＝0 (11)

其中，λ為特征值向量，系數(shù)項(xiàng)c_i都是u、μ、δ_f工況參數(shù)以及汽車結(jié)構(gòu)參數(shù)的多項(xiàng)式，平衡點(diǎn)的穩(wěn)定性取決于這些參數(shù)的取值情況，根據(jù)Hurwitz判據(jù)，若：

Δ₁＞0,Δ₂＞0,Δ₃＞0,Δ₄＞0

其中，

則特征方程特征根有實(shí)部，非線性動(dòng)力系統(tǒng)在平衡點(diǎn)處漸進(jìn)穩(wěn)定；

汽車前輪的轉(zhuǎn)向角和車速是影響汽車轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性的主要工況參數(shù)；考慮到矩陣的零特征根對(duì)應(yīng)汽車轉(zhuǎn)向的臨界狀態(tài)，根據(jù)公式(12)利用一定的步長(zhǎng)列舉車速的值并求解可得臨界參數(shù)平面；

第四步 利用搜索法確定越過鞍結(jié)分岔點(diǎn)的失穩(wěn)可控域邊界，實(shí)現(xiàn)車輛非線性動(dòng)力學(xué)模型不同運(yùn)動(dòng)形態(tài)區(qū)域的劃分；

利用后軸側(cè)滑后前輪側(cè)向力變化特性、以及輪胎附著橢圓，分析前輪轉(zhuǎn)向、后輪制動(dòng)力的鎮(zhèn)定能力，分析得到橫擺角速度、質(zhì)心側(cè)偏角隨轉(zhuǎn)角變化的分岔特性，圍繞鞍結(jié)分岔點(diǎn)利用搜索法確定越過鞍結(jié)分岔點(diǎn)的失穩(wěn)可控域邊界，實(shí)現(xiàn)車輛非線性動(dòng)力學(xué)模型不同運(yùn)動(dòng)形態(tài)區(qū)域的劃分；

在車輛模型建立過程中引入魔術(shù)輪胎非線性模型，為便于分岔理論分析，采用局部線性化的方法，將非線性模型轉(zhuǎn)化成了線性時(shí)變參數(shù)模型，假設(shè)：車輛的實(shí)時(shí)狀態(tài)為ε₀，車輛的輪胎側(cè)偏角為α_i，α_i指前輪側(cè)偏角α_f、后輪側(cè)偏角α_r，車輛的側(cè)向力F_i指左前輪側(cè)向力F_fl、右前輪側(cè)向力F_ff、左后輪側(cè)向力F_rl、右后輪側(cè)向力F_rr；因此可以將車輛輪胎的側(cè)向力或轉(zhuǎn)向力表示為：

制動(dòng)時(shí)若后軸比前軸先抱死拖滑，就可能發(fā)生后軸側(cè)滑；若前、后軸同時(shí)抱死，或者前軸先抱死而后軸抱死或不抱死，則能防止汽車后軸側(cè)滑，但是汽車喪失轉(zhuǎn)向能力；

當(dāng)后輪抱死，在干擾作用下，發(fā)生后軸偏離角α，因產(chǎn)生的離心慣性力F_c與偏離角α的方向相同，F(xiàn)_c起到加劇后軸側(cè)滑的作用，即汽車處于不穩(wěn)定狀態(tài)；此時(shí)進(jìn)行后輪側(cè)滑分岔捕捉；

在前輪側(cè)向力以及輪胎附著橢圓的約束下，制定啟發(fā)規(guī)則，由此來改變鞍結(jié)分岔點(diǎn)的擴(kuò)展順序，將趨于平衡穩(wěn)定的點(diǎn)優(yōu)先擴(kuò)展，使得快速找到最優(yōu)解；

對(duì)每一個(gè)鞍結(jié)分岔點(diǎn)，有一個(gè)估價(jià)函數(shù)F來估算起始鞍結(jié)分岔點(diǎn)經(jīng)過的最佳路徑的代價(jià)；每個(gè)鞍結(jié)分岔點(diǎn)擴(kuò)展的時(shí)候，總是選擇具有最小的F的節(jié)點(diǎn)；

F＝G+B×H：G為從起始點(diǎn)到當(dāng)前點(diǎn)的實(shí)際代價(jià)，已經(jīng)算出，H為從該點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的最優(yōu)路徑的估計(jì)代價(jià)，F(xiàn)要單調(diào)遞增，B隨著搜索深度成反比變化，在搜索深度淺的地方，讓搜索依靠啟發(fā)信息，盡快的逼近目標(biāo)完成失穩(wěn)可控域的劃分，可初步得到失穩(wěn)可控域判據(jù)：

式中，K表示失穩(wěn)可控域判據(jù)，m表示汽車的質(zhì)量，k₁、k₂為輪胎側(cè)偏剛度；

在均勻路面工況下，系統(tǒng)的平衡態(tài)關(guān)于前輪轉(zhuǎn)向角的分布及分岔特性，包括橫擺角速度、質(zhì)心側(cè)偏角的平衡狀態(tài)及其穩(wěn)定性隨前輪轉(zhuǎn)向角的變化，根據(jù)車速、路面附著系數(shù)可以得出，對(duì)每一個(gè)前輪轉(zhuǎn)向角值系統(tǒng)存在多個(gè)平衡狀態(tài)，系統(tǒng)狀態(tài)才能最終被吸引到平衡點(diǎn)上，汽車才可能保證穩(wěn)定的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向，否則汽車的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向?qū)⒆罱K失穩(wěn)；

第五步 數(shù)據(jù)修正，得到可控域判據(jù)；圍繞實(shí)車捕捉汽車后軸側(cè)滑鞍結(jié)分岔現(xiàn)象，進(jìn)行駕駛員操縱的汽車失穩(wěn)可控操縱試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行實(shí)車瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)行為測(cè)量，分析輪胎側(cè)滑與輪胎失穩(wěn)參量，輪胎滑移率、側(cè)偏角的關(guān)系，分別將傳感器測(cè)量得到的車速、橫擺角速度、輪速、前輪轉(zhuǎn)角信號(hào)來修正步驟四中利用搜索法確定的圍繞鞍結(jié)分岔點(diǎn)的失穩(wěn)可控域邊界及運(yùn)動(dòng)形態(tài)；

引入修正參數(shù)η_γ、η_β將失穩(wěn)可控域計(jì)算模型中的橫擺角速度、質(zhì)心側(cè)偏角進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，與根據(jù)失穩(wěn)可控狀態(tài)時(shí)車身和輪胎動(dòng)力學(xué)的變化特征，得到失穩(wěn)可控域內(nèi)輪胎狀態(tài)關(guān)鍵參量、車身狀態(tài)參量間的因素關(guān)聯(lián)，即側(cè)偏角、汽車橫擺角速度、質(zhì)心側(cè)偏角的關(guān)聯(lián)關(guān)系，建立汽車瞬態(tài)失穩(wěn)可控域狀態(tài)關(guān)聯(lián)模型，構(gòu)建汽車瞬態(tài)失穩(wěn)可控域判據(jù)，綜合考慮輪胎側(cè)偏剛度k₁、k₂，路面附著系數(shù)μ，輪胎制動(dòng)力F_rr、F_rl，并引入η_k1、η_k2、η_μ、η_u、η_Frr、η_Frl分別對(duì)k₁、k₂、μ、u、F_rr、F_rl進(jìn)行修正，得到可控域判據(jù)：

從而實(shí)現(xiàn)失穩(wěn)可控域解析。