[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

说明书

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，实现汽车的路径跟踪。

技术领域：

本发明涉及汽车路径跟踪控制领域，一种基于轮胎力分配的汽车路径跟踪性能提升方法。

背景技术：

随着汽车制造技术的快速发展，汽车动力性能不断提高，为人们生活带来了极大的便利，但在提高人们生活效率的同时，也同样存在着较大的隐患，特别在高速行驶的状态下，轮胎易达到附着极限而产生侧滑，导致汽车无法按照期望路线躲避障碍，在突发状况、恶劣环境、极端工况下更是如此。目前，很多交通事故的原因源自于此，如汽车为躲避突然出现的障碍，紧急转向而导致失稳，偏离路线造成事故，以及在积水或冰雪路面转弯或制动，导致前轴或后轴发生侧滑，使车身失去控制而发生甩尾、侧翻或冲出车道，因此提高汽车的稳定性，使汽车可以按照期望或预设路径行驶，对降低交通事故具有重要意义。

对于提高汽车侧向稳定性的辅助驾驶系统，目前，以主动前轮转向(active frontsteering，AFS)与直接横摆力矩控制(direct yaw-moment control，DYC)系统较为常见。AFS通过施加一个独立于驾驶员之外的转向操作纠正车辆的不足转向或过多转向，是避免汽车侧向失稳的有效手段。当轮胎侧向力接近附着极限时，AFS可利用的侧向力将变得很小，控制性能也将接近极限，若侧向加速度继续增大则有可能导致前轴发生侧滑，失去转向能力，然而此时仍有较大的纵向力可以利用，因此，在AFS接近性能极限时，可以利用DYC通过左右两侧车轮差动制动产生的横摆力矩纠正车身姿态。DYC在抑制汽车不足转向和过多转向方面具有显著的控制效果，但制动会导致车辆的纵向速度下降、影响车辆的纵向动力学，还会引起驾乘人员的不适。因此，AFS与DYC的集成控制可以充分利用两者的优势，进一步提高车辆的侧向稳定性。由于AFS与DYC对车辆的运动控制存在相互干涉和耦合，且产生转向的侧向力和产生制动的纵向力之间也存在相互影响，使得AFS与DYC集成控制时转向和制动的控制权分配问题一直缺乏有效的解决方法。因此，研究AFS与DYC的控制权分配方法，解决二者的运动干涉及轮胎力利用问题，对于提高车辆的稳定性及路径跟踪能力具有非常重要的意义。

在路径跟踪的控制算法方面，传统的控制方法主要有鲁棒控制、模糊控制、预瞄控制和滑模控制等。但上述方法通常只能利用当前的环境信息和汽车状态，并且难以考虑环境和汽车的约束条件。而模型预测控制(Model predictive control，MPC)凭借其在处理多目标约束控制问题方面的优势，在智能车辆控制领域得到了广泛应用。

发明内容：

为解决车辆在极限工况下的路径跟踪控制时，因未考虑轮胎纵向力和侧向力的最优利用和分配而导致的汽车失稳问题，本发明提供一种基于轮胎力分配的汽车路径跟踪性能提升方法。首先提出了一种基于轮胎均等后备能力的轮胎力分配方法，实现了路径跟踪时轮胎力的最优利用和分配。其次，基于提出的轮胎均等后备能力的轮胎力分配方法，设计了一种转向制动联合避撞的MPC路径跟踪控制器，有效的提高了车辆在路径跟踪过程中的稳定性。

本发明解决技术问题所采取的技术方案如下：

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，其表达式如下：