用于无人驾驶车辆高速运动规划的车辆动力学模型建模方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN106649983A(43)申请公布日2017.05.10(21)申请号201610982548.X(22)申请日2016.11.09(71)申请人吉林大学地址130012吉林省长春市前进大街2699号(72)发明人高炳钊陶伟男褚洪庆陈虹(74)专利代理机构长春吉大专利代理有限责任公司22201代理人朱世林张岩(51)Int.Cl.G06F17/50(2006.01)权利要求书2页说明书7页附图7页(54)发明名称用于无人驾驶车辆高速运动规划的车辆动力学模型建模方法(57)摘要本发明提供了一种用于无人驾驶车辆高速运动规划的车辆动力学模型建模方法，通过对车辆动力学模型合理的简化和恰当的计算方法，对车辆高速工况下的运动状态进行准确估计。先建立考虑车辆横摆运动和侧向运动的二自由度车辆模型，再由前轮转角、侧偏角、质心侧偏角之间的几何关系、轮胎侧向力和侧向加速度的力学关系建立系统的动力学方程，最后采用合理的数值计算方法对建立的车辆动力学微分方程进行求解，得到车辆稳态运动时的状态参数，如曲率半径、横摆角速度和轮胎侧向力等参数，从而为车辆的路径规划提供依据。通过对实车试验和仿真结果对比，该模型能准确、快速地计算出车辆的运动状态且算法简单、易于实现，能够满足无人车辆对实时性的要求。CN106649983ACN106649983A权利要求书1/2页1.一种用于无人驾驶车辆高速运动规划的车辆动力学模型建模方法，其特征在于，包括以下步骤：A、通过非线性的轮胎模型以及多项式拟合建立前轮侧向力和后轮侧向力与侧偏角的关系：53Fy1＝-e·(0.04434·α1-9.432·α1+908·α1)(2)53Fy2＝-(0.04788·α2-9.436·α2+795.8·α2)(3)式中，Fy1和Fy2分别为前后轮胎的侧向力，α1和α2分别为前后轮胎侧偏角，e为转向系弹性对侧向力的影响因子；B、前后轮胎侧向力的合力产生侧向加速度，前后轴侧向力对质心取矩，产生横摆运动，可得如下方程：式中，m为整车质量，αy为侧向加速度，l1和l2分别为质心到前后轴的距离，Iz为车辆绕z轴的转动惯量，ω为横摆角速度；C、再由几何关系可得如下方程：式中，β为质心侧偏角，u为车辆前进速度，δ为前轮转角，等于方向盘转角θ除以转向系总传动比i；D、将方程(4)和(5)中的微分形式写成积分形式：E、通过数值积分方法得到车辆动力学模型如下：2CN106649983A权利要求书2/2页其中，ΔT为迭代步长，ρ为曲率半径；F、通过将下述迭代初值代入步骤E的车辆动力学模型中，经过75次迭代能够得到车辆稳态时αy，ρ，α1，α2，β，ω的数值解；式中，Kf和Kr分别为前后轮胎侧偏刚度，均取于步骤A中侧向力关于侧偏角的曲线在原点处的斜率，L为轴距。3CN106649983A说明书1/7页用于无人驾驶车辆高速运动规划的车辆动力学模型建模方法技术领域[0001]本发明属机械工程技术领域，涉及一种车辆动力学模型的建模方法，具体涉及一种用于无人驾驶车辆高速运动规划的车辆动力学模型建模方法，适用于无人车辆运行的各种工况。背景技术[0002]无人驾驶车辆是地面无人驾驶车辆的一种，在未来智能交通系统中有很大的发展空间。无人驾驶主要由任务决策模块、环境感知模块、运动规划模块和车辆平台子系统配合来实现。其中，运动规划模块可以根据车辆当前状态、环境信息、任务需求以及车辆动力学模型的约束生成控制信号，并通过控制油门、刹车和方向盘转角对实际车辆的运动进行控制。在这一过程中，选择合理的车辆动力学模型特别是在汽车高速运动的时候尤为重要。[0003]与移动机器人不同，在生成汽车的目标运动路径和运动轨迹时，无人驾驶车辆要考虑实际车辆运动学和动力学的约束，即在保证安全性的前提下，车辆能否沿着目标路径运动。例如，在某一曲率半径的路径下运动，车辆需要多大的车速和多大的方向盘转角；车辆在转向时，轮胎的侧向力和纵向力的合力是否超过路面和轮胎的附着极限；车辆的侧向加速度的大小是否会影响乘坐舒适性；对车辆的运动要求是否满足操纵稳定性的约束，尤其是在车辆高速运动时，对控制策略的准确性和可行性提出了更为苛刻的要求。解决这些问题的关键是建立合理的车辆动力学模型，能够计算出车辆在某一工况下的各项指标，比如轮胎侧向力，且车辆模型要计算简单，能在汽车ECU中实现，满足实时性要求。[0004]目前，车辆动力学理论已经发展较为完善。其中，多自由度汽车模型能很好的模拟实际车辆运行状况，但计算复杂，不能满足实时性要求；广泛采用的线性二自由度车辆模型亦没有考虑轮胎的非线性特性，在汽车高速运动时模型不准确。中国专利CN104773173A公开了一种设计状态观测器，能够很好地估计车辆当前行驶状