无人车放宽静稳定动力学控制方法及系统

摘要

本发明提供一种无人车放宽静稳定动力学控制方法及系统，能够放宽无人车横向动力学系统的布局条件，减小传统车辆布局理论对无人车总体布局灵活性的限制，提高无人车底盘总体布局的灵活性和设计空间。具体为：通过预设的目标极点位置以及当前的车辆状态参数，计算实现预设目标极点位置所需的目标主动横摆力矩；然后将计算的目标主动横摆力矩将分配到无人车的各独立驱动车轮上，使无人车获得与预设目标极点位置对应的车辆动力学性能。采用该控制系统能够放宽无人车总体布局的稳定性限制条件，允许无人车横向动力学系统的布局为静不稳定系统，突破传统的静稳定布局理论约束，尤其适用于采用全线控底盘设计方案后导致横向动力学系统静不稳定的无人车。

权利要求

1.无人车放宽静稳定动力学控制方法，其特征在于，通过预设的目标极点位置以及当前的车辆状态参数，计算实现预设目标极点位置所需的目标主动横摆力矩；

然后将所计算的目标主动横摆力矩分配到所述无人车的各独立驱动车轮上，使所述无人车获得与预设目标极点位置对应的车辆动力学性能；

采用下述方法进行目标主动横摆力矩的计算：令无人车的主动横摆力矩的控制律为：u(t)＝Kx(t)    (1)式中：x(t)为无人车的横向动力学状态参数；u(t)为横摆力矩输入；K为控制律中的反馈矩阵；

建立所述无人车包含参数不确定性的二自由度动力学模型：式中：w(t)为前后轮转向轮转角输入；A0、B20、B10是无人车的状态参数矩阵，由无人车的动力学状态参数决定；ΔA、ΔB2、ΔB1是无人车横向动力学系统的不确定矩阵，用来表征参数不确定性；

采用圆域线性矩阵不等式区域描述所述无人车横向动力学系统的目标极点区域；

然后基于鲁棒控制方法，依据所述包含不确定性的二自由度动力学模型、预设的目标极点位置计算所述反馈矩阵K，使预设的目标极点位置在所描述的目标极点区域内；

在获得反馈矩阵K后，无人车的目标主动横摆力矩即为u(t)＝Kx(t)。

2.如权利要求1所述的无人车放宽静稳定动力学控制方法，其特征在于，当无人车为全轮独立驱动无人车，即无人的四个车轮均为独立驱动车轮时：按照车轮垂直载荷比例进行独立驱动车轮驱动力的分配，令无人车左侧车轮和右侧车轮的驱动力分配比例函数为：

式中：Fx11为左前车轮驱动力；Fx12为右前车轮纵向驱动力；Fx21为左后车轮驱动力；Fx22为右后车轮驱动力；Fz11为左前车轮垂向力；Fz12为右前车轮垂向力；Fz21为左后车轮垂向力；

Fz22为右后车轮垂向力；k为离散时间；κl为左侧车轮的驱动力分配比例函数；κr为右侧车轮的驱动力分配比例函数；

无人车的目标总驱动力FxT、目标主动横摆力矩Mdes和各车轮驱动力关系为：式中：B为车辆轮距；lf为车辆质心到前轴距离；lr为车辆质心到后轴距离；δ为车轮转角；

则各独立驱动车轮的驱动力分配结果为：

3.无人车放宽静稳定动力学控制系统，采用上述权利要求1‑2任一项所述的动力学控制方法，其特征在于，该动力学控制系统包括：控制指令层、底盘上层控制层、底盘下层控制层、执行机构控制层和状态参数反馈层；

所述控制指令层用于将底盘控制指令发送给底盘上层控制层，所述底盘控制指令包括：目标转向模式、目标车轮转角、目标总驱动力、目标总制动力；

所述底盘上层控制层包括目标指令解算模块和横摆力矩计算模块；所述底盘上层控制层接收到所述底盘控制指令后，所述目标指令解算模块进行底盘控制指令的解算，所述横摆力矩计算模块计算目标主动横摆力矩，然后将解算的目标指令和计算的目标横摆力矩发送给底盘下层控制层；其中所述横摆力矩计算模块在进行目标主动横摆力矩计算时，基于车辆动力学模型，通过预先设定的闭环目标极点位置以及车辆状态参数反馈层反馈的当前的车辆状态参数，计算实现预设闭环目标极点位置所需的目标主动横摆力矩；

所述底盘下层控制层依据控制指令中的目标总驱动力和底盘上层控制层所计算的目标主动横摆力矩计算每个独立驱动车轮的纵向驱动力，然后依据计算得到的每个独立驱动车轮的纵向驱动力后将对应的控制信息发送给执行机构控制层；所述底盘下层控制层还依据所解算的目标指令，将对应的控制信息发送给执行机构控制层；同时所述底盘下层控制层还通过对各独立驱动车轮的驱动电机的控制实现各独立驱动车轮滑移率的控制；

所述执行机构控制层依据接收到的底盘下层控制层的控制信息实现对线控转向系统、线控驱动系统及线控制动系统中执行机构的控制；

所述车辆状态参数反馈层用于对车辆的动力学状态参数进行实时监测，并反馈给底盘上层控制层；所述车辆的动力学状态参数包括：车辆速度、横摆角速度、质心侧偏角、电机转矩和电机转速。

说明书

无人车放宽静稳定动力学控制方法及系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种无人车动力学控制方法及系统，具体涉及一种无人车放宽静稳定动力学控制方法及系统，属于无人车与自动驾驶车辆技术领域。

背景技术

[0002] 自动驾驶车辆是未来汽车产业的重要发展方向，也是人工智能技术落地的重要领域之一。无人车是指具有自主行为能力并完全省略人类驾驶机构的车辆，具有智能化、线控
化、机器人化、多功能化的特点。无人车的使用目的为替代人类执行作业任务，包括但不限
于打击、作战、巡逻、侦察、物流、运输、摆渡、配送、清扫等民用或军用任务，在民用或军用领
域具有非常广阔的应用前景，是未来智能交通与智慧城市建设的重要组成部分，更是我国
新一代陆军装备发展的重要依托。因此，无人车理论与技术的研究对我国国民经济发展与
国防安全建设具有重要战略意义。

[0003] 与传统车辆相比，无人车的总体构型、布局形式、控制系统、执行机构等都完全不同。由于特殊的使用功能，无人车完全省略人类操作机构，其底盘必须采用全线控架构，即
转向系统、驱动系统及制动系统完全由电子控制系统控制，实现完全的线控转向、线控驱动
及线控制动。这样全新的总体布局形式对无人车总体设计、动力学与控制等理论与技术提
出了巨大的挑战。

[0004] 当采用全线控技术架构后，无人车的总体布局与传统汽车相比发生巨大变化，由于特殊的总体布局形式，会影响无人车横向动力学系统的静稳定性，使得无人车往往会出
现横向动力学系统静不稳定(过度转向)现象，使得无人车在极端驾驶等工况下容易丧失操
纵稳定性，严重影响到无人车的综合性能。

发明内容

[0005] 有鉴于此，本发明提供一种无人车放宽静稳定动力学控制方法，采用该动力学控制方法能够放宽无人车横向动力学系统的布局条件，减小传统车辆布局理论对无人车总体
布局灵活性的限制，大幅提高了无人车底盘总体布局的灵活性和设计空间。

[0006] 所述的无人车放宽静稳定动力学控制方法具体为：通过预设的目标极点位置以及当前的车辆状态参数，计算实现预设目标极点位置所需的目标主动横摆力矩；

[0007] 然后将所计算的目标主动横摆力矩分配到所述无人车的各独立驱动车轮上，使所述无人车获得与预设目标极点位置对应的车辆动力学性能。

[0008] 采用下述方法进行目标主动横摆力矩的计算：

[0009] 令无人车的主动横摆力矩的控制律为：

[0010] u(t)＝Kx(t)(1)

[0011] 式中：x(t)为无人车的横向动力学状态参数；u(t)为横摆力矩输入；K为控制律中的反馈矩阵；

[0012] 建立所述无人车包含参数不确定性的二自由度动力学模型：

[0013]

[0014] 式中：w(t)为前后轮转向轮转角输入；A0、B20、B10是无人车的状态参数矩阵，由无人车的动力学状态参数决定；ΔA、ΔB2、ΔB1是无人车横向动力学系统的不确定矩阵，用来表
征参数不确定性；

[0015] 采用圆域线性矩阵不等式区域描述所述无人车横向动力学系统的目标极点区域；

[0016] 然后基于鲁棒控制方法，依据所述包含不确定性的二自由度动力学模型、预设的目标极点位置计算所述反馈矩阵K，使预设的目标极点位置在所描述的目标极点区域内；

[0017] 在获得反馈矩阵K后，无人车的目标主动横摆力矩即为u(t)＝Kx(t)。

[0018] 当无人车为全轮独立驱动无人车，即无人的四个车轮均为独立驱动车轮时：

[0019] 按照车轮垂直载荷比例进行独立驱动车轮驱动力的分配，令无人车左侧车轮和右侧车轮的驱动力分配比例函数为：

[0020]

[0021] 式中：Fx11为左前车轮驱动力；Fx12为右前车轮纵向驱动力；Fx21为左后车轮驱动力；Fx22为右后车轮驱动力；Fz11为左前车轮垂向力；Fz12为右前车轮垂向力；Fz21为左后车轮垂向
力；Fz22为右后车轮垂向力；k为离散时间；κl为左侧车轮的驱动力分配比例函数；κr为右侧车
轮的驱动力分配比例函数；

[0022] 无人车的目标总驱动力FxT、目标主动横摆力矩Mdes和各车轮驱动力关系为：

[0023]

[0024] 式中：B为车辆轮距；lf为车辆质心到前轴距离；lr为车辆质心到后轴距离；δ为车轮转角；

[0025] 则各独立驱动车轮的驱动力分配结果为：

[0026]

[0027] 基于上述动力学控制方法，本发明还提供一种无人车放宽静稳定动力学控制系统，该动力学控制系统包括：控制指令层、底盘上层控制层、底盘下层控制层、执行机构控制
层和状态参数反馈层；

[0028] 所述控制指令层用于将底盘控制指令发送给底盘上层控制层，所述底盘控制指令包括：目标转向模式、目标车轮转角、目标总驱动力、目标总制动力；

[0029] 所述底盘上层控制层包括目标指令解算模块和横摆力矩计算模块；所述底盘上层控制层接收到所述底盘控制指令后，所述目标指令解算模块进行底盘控制指令的解算，所
述横摆力矩计算模块计算目标主动横摆力矩，然后将解算的目标指令和计算的目标横摆力
矩发送给底盘下层控制层；其中所述横摆力矩计算模块在进行目标主动横摆力矩计算时，
基于车辆动力学模型，通过预先设定的闭环目标极点位置以及车辆状态参数反馈层反馈的
当前的车辆状态参数，计算实现预设闭环目标极点位置所需的目标主动横摆力矩；

[0030] 所述底盘下层控制层依据控制指令中的目标总驱动力和底盘上层控制层所计算的目标主动横摆力矩计算每个独立驱动车轮的纵向驱动力，然后依据计算得到的每个独立
驱动车轮的纵向驱动力后将对应的控制信息发送给执行机构控制层；所述底盘下层控制层
还依据所解算的目标指令，将对应的控制信息发送给执行机构控制层；同时所述底盘下层
控制层还通过对各独立驱动车轮的驱动电机的控制实现各独立驱动车轮滑移率的控制；

[0031] 所述执行机构控制层依据接收到的底盘下层控制层的控制信息实现对线控转向系统、线控驱动系统及线控制动系统中执行机构的控制；

[0032] 所述车辆状态参数反馈层用于对车辆的动力学状态参数进行实时监测，并反馈给底盘上层控制层；所述车辆的动力学状态参数包括：车辆速度、横摆角速度、质心侧偏角、电
机转矩和电机转速。

[0033] 有益效果：

[0034] (1)采用该控制方法及系统能够放宽无人车总体布局的稳定性限制条件，允许无人车横向动力学系统的布局为静不稳定系统，突破传统的静稳定布局理论约束，减小传统
车辆布局理论对无人车总体布局灵活性的限制，尤其适用于采用全线控底盘设计方案后导
致横向动力学系统静不稳定的无人车；大幅提高了无人车底盘总体布局的灵活性和设计空
间，使其充分发挥全线控底盘系统的灵活布局技术优势，满足未来多样化多功能无人车研
制的理论需要。

[0035] (2)本发明通过目标理想极点位置配置的方法，实现无人车横向动力学系统的动力学控制，从而提高无人车的操纵性、稳定性、机动性和可控性，满足多功能无人车在不同
工况下的使用需求。

附图说明

[0036] 图1为本发明的动力学控制系统的控制流程示意图；

[0037] 图2为车辆横向动力学系统目标理想极点位置示意图；

[0038] 图3为独立驱动车辆驱动力分配模块示意图；

[0039] 图4为本发明控制效果示意图。

具体实施方式

[0040] 下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

[0041] 本实施例提供一种无人车放宽静稳定动力学控制系统，通过极点配置的动力学控制方法，针对无人车横向动力学系统的目标理想极点位置进行选取，使无人车获得与目标
理想极点位置相对应的车辆动力学性能。

[0042] 如图1所示，该无人车放宽静稳定动力学控制系统包括五个控制层，分别为：控制指令层、底盘上层控制层、底盘下层控制层、执行机构控制层和状态参数反馈层。

[0043] 其中控制指令层用于将无人车的智能决策结果作为底盘控制指令发送给底盘上层控制层；如对于全轮独立转向全轮独立驱动的无人车来说，其底盘控制指令包括无人车
的目标转向模式、目标车轮转角、目标总驱动力、目标总制动力等信息，该控制信息来自于
无人车智能决策或路径规划单元的计算结果。控制指令层将底盘控制指令输出至底盘上层
控制层。

[0044] 底盘上层控制层是该直接力动力学控制系统的核心，其包括：目标指令解算模块和横摆力矩计算模块。底盘上层控制层获得来自控制指令层的底盘控制指令后，目标指令
解算模块通过通信协议进行底盘控制指令的解算，横摆力矩计算模块计算目标主动横摆力
矩，然后将解算的目标指令和计算的目标横摆力矩发送给底盘下层控制层。其中目标指令
解算如将无人车遥控系统的转角信号(即目标车轮转角)解算成对应的转向电机的角度，此
时目标指令即为转向电机的角度；将遥控系统的驱动信号(即目标总驱动力)解算成对应的
驱动电机的力矩，此时目标指令即为驱动电机的力矩。

[0045] 目标横摆力矩是实现横向动力学系统目标极点位置配置的重要参数，在进行目标主动横摆力矩计算时，基于车辆动力学模型，通过预先设定的闭环目标极点位置以及车辆
状态参数反馈层反馈的当前的车辆状态参数，计算实现预设闭环目标极点位置所需的目标
主动横摆力矩，进而通过独立驱动车轮施加给车辆主动横摆力矩以完成目标极点配置的既
定控制目标(即使无人车获得与预设闭环目标极点位置对应的车辆动力学性能)。

[0046] 底盘下层控制层用于无人车各独立驱动车轮纵向驱动力的分配和各独立驱动车轮滑移率的控制，包括：驱动力分配模块和车轮滑移率控制模块。在驱动力分配模块中，由
总驱动力需求(即控制指令中的目标总驱动力)及横摆力矩需求(底盘上层控制层所计算的
目标主动横摆力矩)计算每个独立驱动车轮的纵向驱动力；在车轮滑移率控制模块中，通过
控制各独立驱动车轮的驱动电机实现各独立驱动车轮滑移率的控制。底盘下层控制层依据
计算得到的每个独立驱动车轮的纵向驱动力后将对应的控制信息发送给执行机构控制层，
如驱动电机的转矩。此外，底盘下层控制层还依据所解算的目标指令，将对应的控制信息发
送给执行机构控制层，如转向电机的角度，制动电机的角度等。

[0047] 执行机构控制层依据接收到的底盘下层控制层的控制信息实现对线控转向系统、线控驱动系统及线控制动系统中执行机构的控制，其中线控转向系统中的执行机构为转向
电机，线控驱动系统中的执行机构为驱动电机，制线控制动系统中的执行机构为制动电机。

[0048] 车辆状态参数反馈层用于对车辆的动力学状态参数进行实时监测，并反馈给底盘上层控制层，保障车辆动力学控制系统的参数反馈需要；车辆的动力学状态参数包括：车辆
速度、横摆角速度、质心侧偏角、电机转矩和电机转速等。

[0049] 该动力学控制系统的核心‑车辆横向动力学系统的闭环目标极点位置是通过车辆的主动横摆力矩实现的，而车辆的主动横摆力矩是通过车辆两侧的独立驱动电机实现的。
令车辆的主动横摆力矩的控制律为：

[0050] u(t)＝Kx(t)(1)

[0051] 式中：x(t)为车辆的横向动力学状态参数；u(t)为横摆力矩输入；K为控制律中的反馈矩阵。

[0052] 其中主动横摆力矩计算所采用的动力学模型为考虑系统不确定性的车辆二自由度动力学模型：

[0053]

[0054] 式中：x(t)为车辆的横向动力学状态参数；K为控制律中的反馈矩阵；A0、B20、B10是车辆的状态参数矩阵，由车辆的动力学状态参数决定；ΔA、ΔB2、ΔB1是车辆横向动力学系
统的不确定矩阵，用来表征系统的参数不确定性。

[0055] 通过寻找合适的控制律反馈矩阵K，使得式(2)中所描述的闭环横向动力学系统稳定并使预设的目标极点位置在理想目标极点区域内。本方案中，通过调整横向动力学系统
的目标极点位置，实现车辆的目标操纵稳定性调整以满足无人车在不同工况下的使用需
求。

[0056] 本方案中选择线性矩阵不等式方法进行横向动力学系统目标极点位置在复平面上的描述，所述的线性矩阵不等式区域是在复平面域内为被如下表达式描述的区域D：

[0057]

[0058] 式中：C为复平面；Γ，γ为复平面域内的两个对称的实矩阵；s为复平面内的算子。

[0059] 上述线性矩阵不等式的特征矩阵fD(s)可由下式描述：

[0060]

[0061] 典型的线性矩阵不等式区域包括扇形域、圆域、矩形域等。一般车辆横向动力学系统的目标极点位置位于一个圆域内，因此，本方案选择圆域线性矩阵不等式区域进行横向
动力学系统的目标极点区域的描述，可以很方便的观察车辆横向动力学系统的稳态及瞬态
性能。

[0062] 令车辆横向动力学系统的目标极点位置位于圆心为(‑q,0)，半径为r的圆域内，其中(‑q,0)为位于复平面域内的一点，则该圆域的线性矩阵不等式表达式为：

[0063]

[0064] 该圆域的特征矩阵的表达式为：

[0065]

[0066] 附图2表示了某圆域的线性矩阵不等式在复平面域内的示意图，其圆心位置为(‑q,0)，圆域的半径为r。

[0067] 对目标极点位置所在圆域位置(即目标极点区域)的选择直接决定着车辆的操纵性能。假设ξ为车辆横向动力学系统的目标阻尼比，ωn为车辆横向动力学系统的目标固有
频率。如果目标极点区域位于如图2所示的圆域范围内，则有 和q‑r≤ξωn
≤q+r的约束关系。令车辆横向动力学系统的目标阻尼比ξ的最小值为a，目标阻尼比与目标
固有频率乘积的最小值为b，则该目标极点区域的圆心位置、半径大小等参数可以用下式进
行表达描述：

[0068]

[0069] 式中：θ为复平面域原点所引出的该圆域的切线与复平面域水平轴之间的夹角。

[0070] 通过分析和实验测试，对车辆数据进行整理和统计，获得了无人车典型工况、目标性能与目标极点的对应关系，其一般性结论为：

[0071] 以无人车在越野环境下进行货物运输的工况为例，此时无人车需要更高的操纵稳定性与更搞的横摆阻尼比(即车辆横向动力学系统的阻尼比)，以增强货物运输的安全性，
则此时横向动力学系统的目标极点位置应该具有更高的动稳定度及更高的阻尼比，即目标
极点区域(圆域)位置应该更靠近复平面域左侧且有更小的半径。

[0072] 以无人车在越野环境下进行作战的工况为例，此时需要更高的操纵机动性与更低的横摆阻尼比，以增加战场机动的灵活性，则此时横向动力学系统的目标极点位置应该具
有更低的动稳定度及更低的阻尼比，即目标极点区域应该更靠近复平面域右侧且有更大的
半径；

[0073] 以无人车在城市环境下进行搜寻的工况为例，此时需要更高的操纵稳定性与更低的横摆阻尼比，以平衡城市搜寻工况下的操纵稳定性和机动性，则此时横向动力学系统的
目标极点位置应该具有更高的动稳定度及更低的阻尼比，即目标极点区域应该更靠近复平
面域左侧且有更大的半径；

[0074] 以无人车在狭窄环境下进行运输的工况为例，此时需要更高的操纵机动性与更高的横摆阻尼比，以提高狭窄环境下的操纵机动性，则此时横向动力学系统的目标极点位置
应该具有更低的动稳定度及更高的阻尼比，即目标极点区域应该更靠近复平面域右侧且有
更小的半径。

[0075] 位于底盘上层控制层中的目标主动横摆力矩计算模块基于鲁棒控制方法，通过上文中所描述的包含不确定性的动力学模型、目标极点位置寻找合适的控制律反馈矩阵K，使
得式(2)中所描述的闭环横向动力学系统稳定并使目标极点位置在理想目标极点区域内。
然后依据所计算的反馈矩阵K获得主动横摆力矩输入u(t)＝Kx(t)，即为车辆目标主动横摆
力矩。

[0076] 参见附图3，所计算的目标主动横摆力矩将分配到各独立驱动车轮上。独立驱动车轮的驱动力分配与滑移率控制将直接影响到车辆的行驶能力及操纵稳定性。根据轮胎力学
的基本原理可知，轮胎的附着裕度与作用在轮胎上的垂直载荷成正比例关系。因此，为最大
限度提高车辆的行驶能力及操纵稳定性，各独立驱动车轮的驱动力分配应与各车轮的垂直
载荷成比例关系。

[0077] 参见附图3，位于质心位置的箭头FXT示意了无人车智能决策或路径规划单元所给定的整车的目标总驱动力，位于车辆质心位置的旋转箭头Mdes示意了整车的目标主动横摆
力矩，位于各车轮的虚线圆圈示意了此时无人车的各车轮垂直载荷，位于各车轮的箭头示
意了此时经底盘下层控制层中驱动力分配模块计算后分配的各轮驱动力(纵向驱动力)。同
时，假设无人车各车轮悬架减震器安装了位移传感器并可获知各车轮的垂向行程，从而通
过与悬架刚度的计算可以近似获得各个车轮的垂直载荷。为实现按照轮胎垂直载荷比例进
行独立驱动车轮驱动力分配，定义左右侧车轮的驱动力分配比例函数：

[0078]

[0079] 式中：Fx11为左前车轮驱动力；Fx12为右前车轮驱动力；Fx21为左后车轮驱动力；Fx22为右后车轮驱动力；Fz11为左前车轮垂向力；Fz12为右前车轮垂向力；Fz21为左后车轮垂向力；
Fz22为右后车轮垂向力；k为离散时间；κl为左侧车轮的驱动力分配比例函数；κr为右侧车轮
的驱动力分配比例函数。

[0080] 车辆的目标总驱动力FxT、目标主动横摆力矩Mdes和各车轮驱动力关系如下：

[0081]

[0082] 式中：B为车辆轮距；lf为车辆质心到前轴距离；lr为车辆质心到后轴距离；δ为车轮转角(每个车轮转角相同)。

[0083] 根据上式，各独立驱动车轮的驱动力分配结果为：

[0084]

[0085] 根据上式，则可以完成依据目标总驱动力和目标主动横摆力矩对各车轮驱动力的分配。依据附图1所示总体控制架构，当各车轮被驱动后则进入独立驱动车轮滑移率控制模
块以及执行机构控制层，从而完成整个动力学控制系统的闭环。

[0086] 综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的
保护范围之内。