低附着路况条件下人车共享转向系统稳定控制

doi:10.13229/j.cnki.jdxbgxb20221416

摘要/Abstract

摘要：

针对冰雪天气车辆更容易失稳的情况，研究了低附着、不对称路面情况下车辆对参考路径的稳定跟踪问题，同时考虑了驾驶员与智能控制器的协同共享，讨论了共享方式和驾驶权分配，以提高车辆在冰雪路面复杂路况下的跟踪精度和转向稳定性，保证驾驶员的驾驶体验。此外，建立了左右轮不对称的适用于冰雪路面的车辆模型，并确定了将冰雪路面下车辆转向稳定性约束作为后续模型预测控制求解的一部分，在人车共享结构下，基于模糊推理权重分配策略设计了共享转向模型预测控制器。Simulink/CarSim联合仿真验证了本文控制系统能有效提高车辆跟踪精度和行驶稳定性。

关键词: 车辆工程, 路径跟踪控制, 模型预测控制, 共享转向控制, 驾驶权重分配

Abstract:

Aiming at the problem that the vehicle is more prone to instability in ice and snow weather， the stable tracking of the vehicle to the reference path is studied under the condition of low adhesion and asymmetric road surface. At the same time， considering the cooperative sharing between the driver and the intelligent controller， the sharing mode and driving right allocation is discussed， so as to improve the tracking accuracy and steering stability of the vehicle under the complex road conditions of ice and snow road and ensure the driving experience of the driver. A vehicle model with asymmetric left and right wheels for snow and ice road surface is established. And the vehicle steering stability constraint under ice and snow pavement is determined as a part of the subsequent model predictive control solution. The human-vehicle sharing structure based on model prediction and fuzzy weight allocation strategy is established and the shared steering controller is designed. Simulink/ CarSim co-simulation verifies that the designed control system can effectively improve vehicle tracking accuracy and driving stability.

Key words: vehicle engineering, trajectory tracking control, model predictive control, shared steering control, driving authority allocation

中图分类号:

U461.6

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图/表 21

图1

图2

图3

表1

模糊控制规则表"

$S θ E$	$L 0$	$L 1$	$L 2$	$L 3$	$L 4$
$E 0$	$S$	$S$	$S$	$S$	$M S$
$E 1$	$S$	$S$	$S$	$M S$	$M$
$E 2$	$S$	$S$	$M S$	$M$	$M B$
$E 3$	$S$	$M S$	$M$	$M B$	$B$
$E 4$	$M S$	$M S$	$M$	$M B$	$B$

表1

图4

图5

图6

图7

表2

车辆及控制器主要参数"

参数	数值
整车质量 $m$ /kg	1 380
质心到前轴的距离 $l f$ /m	1.015
横摆转动惯量/（kg·m²）	1 536.7
车轮半径 $R w$ /m	0.325
前轮侧倾刚度 $K ? f$ /（N·m^-1）	46 560.5
前轮侧倾阻尼 $C ? f$ /（N·m·s^-1）	2 386
车身宽度 $D$ /m	1.616
质心距地面高度 $h$ /m	0.87
采样周期 $T$ /s	0.001
预测时域 $N p$	50
最大横向误差 $Δ y m a x$ /m	1
簧上质量 $m s$ /kg	1 270
质心到后轴的距离 $l r$ /m	1.895
车轮转动惯量 $I w$ /（kg·m²）	1
车轮轴距 $t w$ /m	1.55
后轮侧倾刚度 $K ? r$ /（N·m^-1）	24 955.5
后轮侧倾阻尼 $C ? r$ /（N·m·s^-1）	2386
道路宽度 $W r$ /m	3.75
重力加速度 $g$ /（m·s^-2）	9.8
转向系传动比 $i$	15
控制时域 $N c$	25
转角最大差 $δ h - δ a m a x$ /rad	0.45

表2

图8

图9

图10

表3

表4

表5

图11

图12

表6

图13

表7

表8

参考文献 18

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车辆参数	CarSim驾驶员控制	固定权重控制	本文共享控制
方向盘转角最大值/（°）	27.24	20.42	14.36
方向盘转角标准值/（°）	13.35	10.04	7.49
侧向误差最大值/m	0.6997	0.3973	0.1553
侧向误差最大值占比（同carsim控制比较）/%	100.00	56.78	22.19
侧向误差均方根值/m	0.2468	0.1976	0.0781
侧向加速度最大值/ （9.8 m·s^-2）	0.2831	0.1692	0.1463
侧向加速度标准差/ （9.8 m·s^-2）	0.1361	0.1037	0.0775

车辆参数	CarSim驾驶员控制	固定权重控制	本文共享控制
方向盘转角最大值/（°）	19.16	18.73	17.08
方向盘转角标准值/（°）	8.817	8.223	7.041
侧向误差最大值/m	0.2424	0.1781	0.1021
侧向误差最大值占比（同CarSim控制比较）/%	100.00	73.47	42.12
侧向误差均方根值/m	0.1126	0.0869	0.0497
侧向加速度最大值/ （9.8 m·s^-2）	0.1988	0.1788	0.1369
侧向加速度标准差/ （9.8 m·s^-2）	0.0906	0.0838	0.0723

车辆参数	CarSim驾驶员控制	本文共享控制
方向盘转角最大值/（°）	50.29	41.98
方向盘转角标准差/（°）	18.84	15.61
侧向误差最大值/m	0.5471	0.5089
侧向误差均方根值/m	0.1974	0.1891
侧向误差最大值占比（与CarSim控制比较）/%	100	95.79
侧向加速度最大值/ （9.8 m·s^-2）	0.9343	0.7552
侧向加速度标准差/ （9.8 m·s^-2）	0.3686	0.2959
横摆角速度最大值/（rad·s^-1）	0.4456	0.3711

车辆参数	CarSim驾驶员控制	本文共享控制
方向盘转角最大值/（°）	151.80	44.34
方向盘转角标准差/（°）	59.47	16.73
侧向误差最大值/m	0.9260	0.5779
侧向误差均方根差/m	0.4849	0.2002
侧向误差最大值占比（与CarSim控制比较）/%	100.00	41.29
侧向加速度最大值/ （9.8 m·s^-2）	0.6616	0.6445
侧向加速度标准差/ （9.8 m·s^-2）	0.3309	0.2569
横摆角速度最大值/ （rad·s^-1）	0.7524	0.4816

车辆参数	生疏驾驶员控制	MPC控制	本文共享控制
方向盘转角最大值/（°）	52.8	32.37	31.89
方向盘转角标准差/（°）	36.23	22.26	20.63
侧向误差最大值/m	3.8797	-	0.2159
侧向误差均方根值/m	1.0591	-	0.1782