[发明专利]一种基于轮胎力分配的汽车路径跟踪性能提升方法

权利要求书

1.一种基于轮胎力分配的汽车路径跟踪性能提升方法，其特征在于，该方法包括路径规划模块、MPC控制器和CarSim汽车模型；路径规划模块用于确定参考侧向位移和横摆角；CarSim汽车模型用于输出汽车的实际状态量，包括汽车侧向速度、横摆角速度、横摆角、纵向位移和侧向位移；MPC控制器优化求解出汽车的前轮转角和各个车轮的制动力并输入给CarSim汽车模型，实现汽车的稳定路径跟踪；

该方法包括以下步骤：

步骤1、设计避撞路径规划模块，确定参考侧向位移和横摆角；

步骤2、设计MPC控制器模块的设计包括三部分：2.1设计车辆动力学模型及轮胎模型；2.2轮胎后备力的分配；2.3MPC控制器对控制输入进行动态优化；

步骤2.1设计车辆动力学模型及轮胎模型，包括如下子步骤：

步骤2.1.1、设计车辆动力学模型，模拟实际车辆的运动状态其表达式如下：

其中，l_f和l_r分别为质心到前、后轴的距离；F_y,fl、F_y,fr、F_y,rl、F_y,rr分别是前左、前右、后左、后右轮胎的侧向力；F_x,fl、F_x,fr、F_x,rl、F_x,rr分别是前左、前右、后左、后右轮胎的纵向力；w为轮距；δ_f表示前轮转角；I_z为转动惯量；m为汽车质量；为横摆角速度；

汽车在进行路径跟踪时，为了表示车辆的当前位置坐标，定义大地坐标系，即惯性坐标系OXY，车辆的质心在惯性坐标系中的平面运动方程可表示为：

其中，X轴和Y轴为大地坐标系，为车辆的横摆角，定义逆时针为正，x和y为车辆坐标系；

步骤2.1.2、设计非线性轮胎模型；

步骤2.2、进行轮胎后备力分配，其公式如下：

其中F_x^*、F_y^*分别表示轮胎的纵向力和侧向力的后备力，其作用为表征当前轮胎工作状况下轮胎纵向力和侧向力的附着余量；式(21)所示为轮胎后备力与一般轮胎力的关系；按照式(19)实现轮胎后备能力的均等分配，函数关系为：

其中，μ为路面附着系数，F_z为轮胎垂直载荷；

基于式(21)，定义左前轮和右前轮的轮胎力分配指标为：

其中，J_fl为左前轮轮胎力分配指标，J_rl为右前轮轮胎力分配指标；F_z,fl为左前轮垂直载荷，F_z,fr为右前轮垂直载荷；

由于后轮轮胎不需要考虑轮胎力的分配，只需要满足轮胎力的利用率尽可能小，因此定义以下指标来描述后轮轮胎动力的利用情况：

其中，J_rl为左后轮轮胎力分配指标，J_rr为右后轮轮胎力分配指标；

步骤2.3、设计MPC控制器，包括以下子步骤：

步骤2.3.1、通过步骤2.1.1中的式(2)(3)(4)得到MPC控制器预测模型：

其中，U₀为纵向车速；

将式(26)写成标准状态空间方程的形式，如下：

其中，控制输入u＝[δ_f,F_x,fl,F_x,fr,F_x,rl,F_x,rr]^T；状态变量预测输出为横摆角和侧向位移，η＝[0 0 1 1 0]为系数矩阵；

步骤2.3.2、将式(27)采用固定采样时间Ts离散化可得到离散模型：

ξ(k)＝f(ξ(k),u(k))

g(Δu(k))＝u(k)-u(k-1) (28)

y_c(k)＝ηξ(k)

其中，ξ(k)是在第k步的状态变量，Δu(k)为控制输入的增量；

步骤2.3.3、设计目标函数，为了使车辆在路径跟踪时，更加接近期望轨迹，同时确保车辆的稳定性，并且使轮胎力的变化尽可能接近平衡线，即轮胎力分配指标J_fl、J_fr、J_rl和J_rr值尽可能小，因此，目标函数如下：

式(29)中，y(k)为第k步的侧向位移预测输出，为第k步的横摆角预测输出，y_ref(k)为第k步的参考侧向位移，为第k步的参考横摆角，J_ij(k)为第k步的轮胎力分配指标，Δδ_f和ΔF_x,ij为控制输入的增量，为对应的权重系数；

步骤2.3.4、分配指标权重设计时，左前轮和右前轮是否需要分配轮胎力取决于当前车辆状态下对应车轮是否制动，对于暂时不需要轮胎力分配的车轮，可以将其在目标函数中对应分配指标的权重系数设为零；因此，目标函数中分配指标J_fl和J_fr的权重系数根据车辆状态设计为：

其中，υ是为避免不必要的频繁控制而设置的阈值，取υ＝0.15·γ_ref,max；ρ为调整因子；ρ^k+1是上一步的ρ值；此外，为了确保在纯转向工作区域只有转向，当轮胎力处于纯转向区域时和被设置为零；

步骤2.3.5、设置执行器物理约束，满足执行器要求：

利用不等式限制控制量及其变化量的上下限，得到执行器的物理约束，其数学表达式为：

步骤2.3.6、设置控制输出约束，满足道路环境要求：

步骤2.3.7、将上述带约束的优化问题转化为QP问题求解，构建多目标优化控制问题：

服从于

i)预测模型式(26)

ii)约束条件式(31)～(32)

在控制器中，采用二次规划算法，求解多目标优化控制问题(33)，得到最优开环控制序列的前轮转角δ_f和各个车轮的制动力F_x,ij，输入给CarSim汽车模型，实现汽车的路径跟踪。