一种多时间尺度的车辆横摆稳定性滚动优化控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种考虑驾驶员因素的多时间尺度车辆横摆稳定性滚动优化控制方 法，属于车辆横摆稳定性控制技术领域。
【背景技术】
[0002] 随着汽车进入社会生产生活中，交通事故的频繁发生，使得交通安全问题逐渐引 起了人们的重视，而车辆侧向失稳则是造成交通事故的一个重要原因，因此车辆侧向稳定 性问题逐渐得到了消费者和研宄人员的广泛关注。传统的车辆侧向稳定控制是以给定的方 向盘转角作为输入，通过一个二自由度稳态转向模型得到理想的横摆角速度，并以跟踪上 理想横摆角速度作为控制目标，但是使用这种控制方法一旦驾驶员出现误操作，将会导致 给定的方向盘转角产生偏差，从而引起车辆失稳并且容易造成交通事故。
[0003] 在实际驾驶过程中，车辆的方向盘转角并非是任意给定的，而是由驾驶员通过前 方道路信息作出判断从而决策出来的。通常驾驶员在驾驶过程中，首先预瞄前方道路信息， 然后决策方向盘转角大小，以上过程驾驶员的反应时间为100m s-200ms ;而当车辆发生不 足转向或过度转向时，底层电子控制单元发生动作使车辆跟踪理想横摆角速度，电子控制 单元的单步计算时间为5ms-20ms，因此驾驶员行为与侧向主动安全控制分属不同的时间尺 度。
【发明内容】
[0004] 为解决由于驾驶员误操作引起的车辆失稳问题，本发明以车辆路径信息为研宄起 点，考虑驾驶员的侧向行为特性，通过滚动预瞄决策优化得到满足行车路径的方向盘转角； 在此基础上，考虑驾驶员行为与车辆侧向主动安全控制的不同时间尺度问题，采用多时间 尺度滚动优化方法对车辆侧向稳定性进行控制。其中，以驾驶员决策模块为控制外环，以非 线性侧向稳定集成控制器为控制内环，确定了考虑驾驶员因素的多时间尺度车辆横摆稳定 双闭环控制器的总体结构。
[0005] 本发明是通过以下技术方案实现的：
[0006] 一种多时间尺度的车辆横摆稳定性滚动优化控制方法，包括以下步骤：
[0007] 步骤一、建立简化的车辆动力学模型：用二自由度模型表征车辆的操纵稳定性与 车辆的纵向运动和横摆运动之间的关系；
[0008] 步骤二、根据步骤一建立的车辆动力学模型进行双闭环控制器的设计，双闭环控 制器包括驾驶员决策模块和非线性侧向稳定集成控制模块，以驾驶员决策模块与非线性侧 向稳定集成控制器构成的控制回路为控制外环，以非线性侧向稳定集成控制器构成的控制 回路为控制内环，双闭环控制器的设计具体包括以下步骤：
[0009] 1)建立驾驶员决策模块，用以模拟驾驶员根据前方道路信息作出的驾驶行为决 策：首先根据所述步骤一建立的车辆动力学模型模拟驾驶员对车辆的了解，然后采用搜索 算法模拟驾驶员对路径的预瞄行为以获取期望路径信息，最后选择模型预测控制方法模拟 驾驶员的预测和优化能力，获得驾驶员方向盘转角信息；
[0010] 2)设计非线性侧向稳定集成控制器，用以根据上述步骤1)输出的驾驶员方向盘 转角信息决策出使车辆保持横摆稳定状态的附加横摆力矩以及优化的方向盘转角信息：非 线性侧向稳定集成控制器包含驾驶意图判定模块、非线性控制器模块及制动力分配模块； 首先将由上述步骤1)建立的驾驶员决策模块获得的驾驶员方向盘转角信息输入到驾驶员 意图判定模块，得到期望的横摆角速度信息；其次，将期望横摆角速度信息输入到非线性控 制器模块，根据期望横摆角速度的值以及实时反馈的车辆前后轮侧偏角及横摆角速度，利 用模型预测控制方法预测系统的未来动态，同时进行优化，决策出附加横摆力矩以及优化 的方向盘转角信息，将优化后的方向盘转角信息输出至车辆系统；最后，Φ恸力分配模块将 决策出的附加横摆力矩转化为制动力分配到各个车轮；
[0011] 步骤三、基于所述步骤二设计的双闭环控制器进行车辆横摆稳定性控制：将道路 信息输入双闭环控制器，所述驾驶员决策模块根据输入的道路信息获得相应的驾驶员方向 盘转角信息，进而将获得的驾驶员方向盘转角信息输入所述非线性侧向稳定集成控制器， 决策出附加横摆力矩以及优化的方向盘转角信息并输出至车辆相应的执行机构，使车辆保 持横摆稳定状态。
[0012] 由于采用了上述的技术方案，本发明的有益效果是：
[0013] (1)与现有的车辆侧向稳定系统相比，以行车路径信息为起点，所采用方法可以有 效地避免人为误操作所引起的车辆失稳问题。
[0014] (2)综合考虑了转向驾驶行为和侧向稳定控制的不同时间尺度。
[0015] (3)在高保真车辆动力学仿真软件veDYNA中，以基于实车实验数据所搭建的 HQ430车辆模型作为仿真车辆，验证了所设计的车辆横摆稳定双闭环控制器有效性。
【附图说明】
[0016] 图1二自由度车辆模型示意图；
[0017] 图2车辆横摆稳定双闭环控制器结构框图；
[0018] 图3获取预瞄信息的示意图；
[0019] 图4驾驶员决策模块流程图
[0020] 图5制动力矩分配示意图；
[0021] 图6低附着双移线实验侧向位移对比图；
[0022] 图7低附着双移线实验横摆角速度对比图；
[0023] 图8低附着双移线实验方向盘转角对比图；
[0024] 图9低附着双移线实验轮胎侧偏角曲线图；
[0025] 图10低附着双移线实验附加横摆力矩曲线图；
[0026] 图11(a)低附着双移线实验左侧轮胎制动力曲线图；
[0027] 图11(b)低附着双移线实验右侧轮胎制动力曲线图；
[0028] 图12高附着蛇形穿杆实验侧向位移对比图；
[0029] 图13高附着蛇形穿杆实验横摆角速度对比图；
[0030] 图14高附着蛇形穿杆实验方向盘转角对比图；
[0031]图15高附着蛇形穿杆实验轮胎侧偏角曲线图；
[0032] 图16高附着蛇形穿杆实验附加横摆力矩曲线图；
[0033] 图17(a)高附着蛇形穿杆实验左侧轮胎制动力曲线图；
[0034] 图17(b)高附着蛇形穿杆实验右侧轮胎制动力曲线图。
【具体实施方式】
[0035] 下面结合附图，对本发明所提出的技术方案进行进一步阐述和说明。
[0036] 本发明提供了一种考虑驾驶员因素的多时间尺度车辆横摆稳定性滚动优化控制 方法，该方法包括以下几个步骤：
[0037] 步骤一、建立简化的车辆动力学模型
[0038] 为了便于对车辆系统的分析及控制，首先需要建立一个简化的车辆动力学模型， 用于驾驶员决策模块及非线性侧向稳定集成控制器的设计。考虑到车辆的操纵稳定性与车 辆的纵向运动和横摆运动关系最为密切，因此首先将整车模型简化为二自由度模型。在车 辆上建立坐标系，原点位于汽车的质心，车辆前进的方向为X轴正方向，水平向左为y轴正 方向，z轴正方向由右手螺旋定则确定。如图1所示为简化的二自由度车辆模型的示意图。 考虑车辆的横摆运动和侧向运动，可以获得公式（1)所示的动力学方程。
【主权项】
1. 一种多时间尺度的车辆横摆稳定性滚动优化控制方法，其特征在于，包括以下步 骤： 步骤一、建立简化的车辆动力学模型：用二自由度