基于博弈控制的商用车爆胎工况稳定控制方法及系统与流程

1.本发明涉及智能驾驶控制技术领域，特别是涉及基于博弈控制的商用车爆胎工况稳定控制方法及系统。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提到了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
3.随着科学技术的不断发展，汽车智能化成为必然趋势，辅助驾驶功能的发展是汽车智能化不可绕过的必经之路。
4.现有市场上的辅助驾驶功能多为在行驶过程中车辆完好的情况下的辅助功能，而针对车辆故障，特别是爆胎的辅助功能却少之又少。而在行驶过程中爆胎所导致的交通事故率很高，严重影响驾乘人员的驾驶安全。
5.现有技术中，在爆胎后的稳定控制研究中，都仅以制动为控制对象，忽略了车轮转角的影响。然而，商用车的质量大、轴距长，单一的控制方案难以起到有效作用。


技术实现要素：

6.为了解决现有技术的不足，本发明提供了基于博弈控制的商用车爆胎工况稳定控制方法、系统、电子设备及计算机可读存储介质，对车轮轮胎及车辆状态进行实时检测，当检测到车轮爆胎之后，根据爆胎车轮的位置、爆胎产生的路线及横摆角速度偏移，结合博弈控制理论计算出最优的方向盘转角及直接横摆力矩，并根据爆胎的位置进行制动力分配，从而使车辆行驶稳定。
7.第一方面，本发明提供了基于博弈控制的商用车爆胎工况稳定控制方法；
8.基于博弈控制的商用车爆胎工况稳定控制方法，包括：
9.实时获取各轮胎胎压、方向盘转角、横摆角速度和直接横摆力矩；
10.根据预设的爆胎判断机制逻辑，基于轮胎胎压、方向盘转角、横摆角速度，判断轮胎是否发生爆胎；
11.若是，则将方向盘转角和直接横摆力矩输入预设的爆胎工况稳定控制模型进行处理，以获取最优前轮转角和最优直接横摆力矩；
12.根据最优直接横摆力矩进行制动分配，通过车轮差动制动对车辆进行稳定控制；
13.其中，爆胎工况稳定控制模型中，基于二自由度车辆动力学模型，建立自动驾驶转向制动交互控制的状态方程，以前轮转角最优和直接横摆力矩最优为目的分别建立目标函数，通过nash博弈控制理论对状态方程和目标函数进行求解，获取最优方向盘转角和最优直接横摆力矩。
14.进一步的，所述爆胎判断机制逻辑为：根据各轮胎胎压，确定胎压异常的轮胎位置；
15.若胎压异常的轮胎为左侧轮胎，判断方向盘转角是否为0，横摆角速度是否大于0，若是，则发生爆胎；
16.若胎压异常的轮胎为右侧轮胎，判断方向盘转角是否为0，横摆角速度是否小于0，若是，则发生爆胎。
17.进一步的，所述基于二自由度车辆动力学模型，建立自动驾驶转向制动交互控制的状态方程包括：
18.根据商用车参数，构建二自由度车辆动力学模型；
19.将前轮转角和直接横摆力矩分别作为控制输入代入二自由度车辆动力学模型，获取自动驾驶转向制动交互控制的状态方程；其中，根据方向盘转角，获取前轮转角。
20.优选的，自动驾驶转向制动交互控制的状态方程表示为：
[0021][0022]
其中，δf为车辆的前轮转角，δm为差动制动产生的直接横摆力矩，ac、b
1c
、b
2c
为状态系数矩阵，x＝[v(t) ω(t) y(t) ψ(t)]
t
为代表连续系统状态变量。
[0023]
进一步的，所述通过nash博弈控制理论对状态方程和目标函数进行求解，获取最优前轮转角和最优直接横摆力矩包括：
[0024]
基于nash博弈控制理论，建立哈密尔顿方程；求解哈密尔顿方程的控制方程矩阵和伴随方程矩阵；
[0025]
根据哈密尔顿方程、控制方程矩阵、伴随方程矩阵、状态方程和目标函数，确定最优前轮转角和最优直接横摆力矩。
[0026]
进一步的，所述根据最优直接横摆力矩进行制动分配，通过车轮差动制动对车辆进行稳定控制包括：
[0027]
根据爆胎轮胎的位置和横摆角速度，选择制动轮；
[0028]
根据最优直接横摆力矩，确定制动力，根据制动力进行车辆稳定控制。
[0029]
优选的，所述制动力表示为：
[0030][0031]
其中，pi为制动力，δm为差动制动产生的直接横摆力矩，r为轮胎半径，l
xi
为第i个车轮的纵向力臂，si为直接横摆力矩的效率，η为单位制动压力产生的力矩。
[0032]
第二方面，本发明提供了基于博弈控制的商用车爆胎工况稳定控制系统；
[0033]
基于博弈控制的商用车爆胎工况稳定控制系统，包括：
[0034]
爆胎轮胎检测模块，被配置为：实时获取各轮胎胎压、方向盘转角、横摆角速度和直接横摆力矩；根据预设的爆胎判断机制逻辑，基于轮胎胎压、方向盘转角、横摆角速度，判断轮胎是否发生爆胎；
[0035]
控制策略获取模块，被配置为：若是，则将方向盘转角和直接横摆力矩输入预设的爆胎工况稳定控制模型进行处理，以获取最优前轮转角和最优直接横摆力矩；
[0036]
稳定控制模块，被配置为：根据最优直接横摆力矩进行制动分配，通过车轮差动制动对车辆进行稳定控制；
[0037]
其中，爆胎工况稳定控制模型中，基于二自由度车辆动力学模型，建立自动驾驶转向制动交互控制的状态方程，以前轮转角最优和直接横摆力矩最优为目的分别建立目标函
数，通过nash博弈控制理论对状态方程和目标函数进行求解，获取最优方向盘转角和最优直接横摆力矩。
[0038]
第三方面，本发明提供了一种电子设备；
[0039]
一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成上述基于博弈控制的商用车爆胎工况稳定控制方法的步骤。
[0040]
第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质；
[0041]
一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成上述基于博弈控制的商用车爆胎工况稳定控制方法的步骤。
[0042]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0043]
本发明提供的技术方案，针对车辆在爆胎后由于车轮附着力不同而导致的失稳问题，实时检测爆胎车轮的位置，根据爆胎产生的路线及横摆角速度偏移，结合博弈控制理论计算出最优的方向盘前轮转角及直接横摆力矩，根据不同的爆胎位置选择不同的制动分配策略，根据制动力分配策略分配制动力至对应的车轮，使得车辆降至目标安全车速，保障驾乘人员的安全驾驶。
附图说明
[0044]
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
[0045]
图1为本发明实施例提供的基于博弈控制的商用车爆胎工况稳定控制方法的流程示意图；
[0046]
图2为本发明实施例提供的二自由度车辆动力学模型的示意图；
[0047]
图3为本发明实施例提供的博弈控制理论示意图；
[0048]
图4为本发明实施例提供的制动力分配决策流程图。
具体实施方式
[0049]
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0050]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0051]
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0052]
实施例一
[0053]
结合图1-图4，对本实施例公开的基于博弈控制的商用车爆胎工况稳定控制方法进行详细说明。该基于博弈控制的商用车爆胎工况稳定控制方法，包括如下步骤：
[0054]
s1、实时获取各轮胎胎压、方向盘转角、横摆角速度和直接横摆力矩；根据预设的爆胎判断机制逻辑，基于轮胎胎压、方向盘转角、横摆角速度，判断轮胎是否发生爆胎；若是，定位爆胎轮位置，执行s2。
[0055]
具体的，对轮胎进行实时检测，采集各车轮胎压、横摆角速度、横摆角、方向盘转角、横向位移和侧向速度，根据预设的爆胎判断机制逻辑，对爆胎、误检、正常情况进行分析判断；具体的，通过胎压检测传感器采集各轮胎的胎压信息，通过横摆角速度传感器采集横摆角速度，通过横摆角传感器采集横摆角，通过方向盘转角传感器采集方向盘转角。其中，爆胎判断机制逻辑如下表所示。
[0056]
表1爆胎判断机制逻辑表
[0057][0058][0059]
进一步的，定位爆胎轮位置后，发出警报警示驾驶员做好停车的准备，防止突然制动对驾驶员及乘客心里上造成恐惧与不安，同时为进一步爆胎后的稳定性控制中的制动分配逻辑提供信息。
[0060]
s2、将方向盘转角和直接横摆力矩输入预设的爆胎工况稳定控制模型进行处理，以获取最优方向盘转角和最优直接横摆力矩。具体步骤包括：
[0061]
s201、根据商用车的整车参数，构建二自由度车辆动力学模型，将方向盘转角换算为车辆的前轮转角δf和直接横摆力矩δm分别作为控制输入代入二自由度车辆动力学模型，获取自动驾驶转向制动交互控制的状态方程，表示为：
[0062][0063]
其中，δf为车辆的前轮转角，δm为差动制动产生的直接横摆力矩，ac、b
1c
、b
2c
为状态系数矩阵，x＝[v(t)ω(t)y(t)ψ(t)]
t
为代表连续系统状态变量。
[0064]
状态方程系数矩阵如下：
[0065][0066][0067][0068]
其中，v(t)为车辆的侧向速度，ω(t)为车辆横摆角速度，y(t)为地面坐标系下的车辆侧向位移，ψ(t)为车辆的横摆角i为绕z轴的转动惯量，a和b分为为车辆的前、后轴距，cf和cr分别为前后轮的侧偏刚度。
[0069]
对公式(1)进行离散化处理可得公式(2)的形式：
[0070][0071]
其中，
[0072][0073]
其中，γ(k)为状态变量，f为转向系统标识符号，m为稳定性控制标识符号。
[0074]
本实施例中，方向盘转角与前轮转角的转换关系为25:1。
[0075]
s202、选取预瞄点处的横向位置偏差与航向角偏差作为转向系统的加权项；将车辆的质心侧偏角作为制动控制的加权项；基于转向系统的加权项和制动控制的加权项得到转向与差动制动的目标函数，即以前轮转角最优为目的建立的目标函数和以直接横摆力矩最优建立的目标函数。
[0076]
具体的，本技术实施例选取预瞄点处的横向位置偏差与航向角偏差作为转向系统的加权项，将车辆的的质心侧偏角作为制动控制的加权项，在转向与差动制动决策分歧的爆胎后稳定性控制转向制动交互系统中，以前轮转角最优为目的建立的目标函数和以直接横摆力矩最优建立的目标函数为：
[0077][0078][0079]
其中，
[0080][0081][0082][0083][0084]
其中，ξf、ξm分别为转向和制动系统的跟踪误差加权矩阵，tf、tm分别为第k+n
p
时刻转向和制动系统性能指标函数的加权矩阵，且tf＝ξf，tm＝ξm，qf、qm分别代表转向和制动系统的状态加权矩阵，和分别为转向和制动系统的自输入加权系数。
[0085]
s203、通过nash博弈控制理论对状态方程和目标函数进行求解，获取最优前轮转角和最优直接横摆力矩。
[0086]
具体地，如图3所示，本实施例基于预设的nash博弈控制理论，对自动驾驶转向制动交互控制的状态方程、前轮转角与直接横摆力矩的目标函数进行求解。具体流程如下：
[0087]
首先，本实施例基于预设的nash博弈控制理论，建立哈密尔顿方程：
[0088][0089][0090]
然后，求解控制方程矩阵：
[0091][0092]
[0093][0094]
δm
nash
(k+j)＝-r
m-1bmt
λm(k+j+1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0095]
求解伴随方程矩阵：
[0096][0097]
λf(k+nu)＝qfγ(k+nu)
[0098][0099]
λm(k+nu)＝qmγ(k+nu)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0100]
λi(k+j)＝pi(k+j)γ(k+j)，i＝f,m
[0101]
γ(k+j+1)＝λ-1aγ
γ(k+j)
[0102][0103]
其中，pf(k+j),pm(k+j)是离散开环nash黎卡提差分方程的解。
[0104][0105][0106]
pf(k+n
p
)＝ξf,pm(k+n
p
)＝ξmꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0107]
进一步结合式(3)-(7)，得到自动驾驶转向制动交互控制的状态方程、转向与差动制动的目标函数的最优前轮转角δf和最优直接横摆力矩δm，
[0108][0109][0110]
如式(9)所示，得到最优前轮转角δf和最优直接横摆力矩δm。制动力分配是通过制动力分配策略进行的，其数值的大小只与直接横摆力矩δm有关。
[0111]
s3、根据最优直接横摆力矩进行制动分配，通过车轮差动制动对车辆进行稳定控制。具体包括：
[0112]
s301、根据爆胎轮胎的位置和横摆角速度，选择制动轮。
[0113]
当计算出合适的横摆力矩之后，必须进行制动分配，通过车轮差动制动对车辆进行控制，为了避免差动制动对爆胎轮胎的制动产生过激反应，采取的制动分配策略只从前轮或者后轮中选择。其选择策略如下：
[0114]
表2爆胎后稳定性控制制动轮选择策略表
[0115][0116]
也就是说，如图4所示，当爆胎轮胎为前轮时采用后轮进行稳定性控制，当横摆角速度大于零时选择右侧轮制动，相反选择左侧轮制动，当爆胎轮胎为后轮时采用前轮进行稳定性控制，当横摆角速度大于零时选择右侧轮制动，相反选择左侧轮制动。
[0117]
s302、根据最优直接横摆力矩，确定制动力，根据制动力进行车辆稳定控制。
[0118]
最后，通过横摆力矩转化为制动力，方式为：
[0119][0120]
其中，pi为制动力，δm为差动制动产生的直接横摆力矩，r为轮胎半径，l
xi
为第i个车轮的纵向力臂，si为横摆力矩的效率，η为单位制动压力产生的力矩。
[0121]
实施例二
[0122]
本实施例公开了基于博弈控制的商用车爆胎工况稳定控制系统，包括：
[0123]
爆胎轮胎检测模块，被配置为：实时获取各轮胎胎压、方向盘转角、横摆角速度和直接横摆力矩；根据预设的爆胎判断机制逻辑，基于轮胎胎压、方向盘转角、横摆角速度，判断轮胎是否发生爆胎；
[0124]
控制策略获取模块，被配置为：若是，则将方向盘转角和直接横摆力矩输入预设的爆胎工况稳定控制模型进行处理，以获取最优前轮转角和最优直接横摆力矩；
[0125]
稳定控制模块，被配置为：根据最优直接横摆力矩进行制动分配，通过车轮差动制动对车辆进行稳定控制；
[0126]
其中，爆胎工况稳定控制模型中，基于二自由度车辆动力学模型，建立自动驾驶转向制动交互控制的状态方程，以前轮转角最优和直接横摆力矩最优为目的分别建立目标函数，通过nash博弈控制理论对状态方程和目标函数进行求解，获取最优前轮转角和最优直接横摆力矩。
[0127]
此处需要说明的是，上述爆胎轮胎检测模块、控制策略获取模块和稳定控制模块对应于实施例一中的步骤，上述模块与对应的步骤所实现的示例和应用场景相同，但不限于上述实施例一所公开的内容。需要说明的是，上述模块作为系统的一部分可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。
[0128]
实施例三
[0129]
本发明实施例三提供一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并
在处理器上运行的计算机指令，计算机指令被处理器运行时，完成上述基于博弈控制的商用车爆胎工况稳定控制方法的步骤。
[0130]
实施例四
[0131]
本发明实施例四提供一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成上述基于博弈控制的商用车爆胎工况稳定控制方法的步骤。
[0132]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0133]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0134]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0135]
上述实施例中对各个实施例的描述各有侧重，某个实施例中没有详述的部分可以参见其他实施例的相关描述。
[0136]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。

技术特征：
1.基于博弈控制的商用车爆胎工况稳定控制方法，其特征在于，包括：实时获取各轮胎胎压、方向盘转角、横摆角速度和直接横摆力矩；根据预设的爆胎判断机制逻辑，基于轮胎胎压、方向盘转角、横摆角速度，判断轮胎是否发生爆胎；若是，则将方向盘转角和直接横摆力矩输入预设的爆胎工况稳定控制模型进行处理，以获取最优前轮转角和最优直接横摆力矩；根据最优直接横摆力矩进行制动分配，通过车轮差动制动对车辆进行稳定控制；其中，爆胎工况稳定控制模型中，基于二自由度车辆动力学模型，建立自动驾驶转向制动交互控制的状态方程，以前轮转角最优和直接横摆力矩最优为目的分别建立目标函数，通过nash博弈控制理论对状态方程和目标函数进行求解，获取最优前轮转角和最优直接横摆力矩。2.如权利要求1所述的基于博弈控制的商用车爆胎工况稳定控制方法，其特征在于，所述爆胎判断机制逻辑为：根据各轮胎胎压，确定胎压异常的轮胎位置；若胎压异常的轮胎为左侧轮胎，判断方向盘转角是否为0，横摆角速度是否大于0，若是，则发生爆胎；若胎压异常的轮胎为右侧轮胎，判断方向盘转角是否为0，横摆角速度是否小于0，若是，则发生爆胎。3.如权利要求1所述的基于博弈控制的商用车爆胎工况稳定控制方法，其特征在于，所述基于二自由度车辆动力学模型，建立自动驾驶转向制动交互控制的状态方程包括：根据商用车参数，构建二自由度车辆动力学模型；将前轮转角和直接横摆力矩分别作为控制输入代入二自由度车辆动力学模型，获取自动驾驶转向制动交互控制的状态方程；其中，根据方向盘转角，获取前轮转角。4.如权利要求3所述的基于博弈控制的商用车爆胎工况稳定控制方法，其特征在于，自动驾驶转向制动交互控制的状态方程表示为：其中，δ
f
为车辆的前轮转角，δm为差动制动产生的直接横摆力矩，a
c
、b
1c
、b
2c
为状态系数矩阵，x＝[v(t)ω(t)y(t)ψ(t)]
t
为代表连续系统状态变量。5.如权利要求1所述的基于博弈控制的商用车爆胎工况稳定控制方法，其特征在于，所述通过nash博弈控制理论对状态方程和目标函数进行求解，获取最优前轮转角和最优直接横摆力矩包括：基于nash博弈控制理论，建立哈密尔顿方程；求解哈密尔顿方程的控制方程矩阵和伴随方程矩阵；根据哈密尔顿方程、控制方程矩阵、伴随方程矩阵、状态方程和目标函数，确定最优方向盘转角和最优直接横摆力矩。6.如权利要求1所述的基于博弈控制的商用车爆胎工况稳定控制方法，其特征在于，所述根据最优直接横摆力矩进行制动分配，通过车轮差动制动对车辆进行稳定控制包括：根据爆胎轮胎的位置和横摆角速度，选择制动轮；根据最优直接横摆力矩，确定制动力，根据制动力进行车辆稳定控制。
7.如权利要求6所述的基于博弈控制的商用车爆胎工况稳定控制方法，其特征在于，所述制动力表示为：其中，p
i
为制动力，δm为差动制动产生的直接横摆力矩，r为轮胎半径，l
xi
为第i个车轮的纵向力臂，s
i
为直接横摆力矩的效率，η为单位制动压力产生的力矩。8.基于博弈控制的商用车爆胎工况稳定控制系统，其特征在于，包括：爆胎轮胎检测模块，被配置为：实时获取各轮胎胎压、方向盘转角、横摆角速度和直接横摆力矩；根据预设的爆胎判断机制逻辑，基于轮胎胎压、方向盘转角、横摆角速度，判断轮胎是否发生爆胎；控制策略获取模块，被配置为：若是，则将方向盘转角和直接横摆力矩输入预设的爆胎工况稳定控制模型进行处理，以获取最优前轮转角和最优直接横摆力矩；稳定控制模块，被配置为：根据最优直接横摆力矩进行制动分配，通过车轮差动制动对车辆进行稳定控制；其中，爆胎工况稳定控制模型中，基于二自由度车辆动力学模型，建立自动驾驶转向制动交互控制的状态方程，以前轮转角最优和直接横摆力矩最优为目的分别建立目标函数，通过nash博弈控制理论对状态方程和目标函数进行求解，获取最优前轮转角和最优直接横摆力矩。9.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成权利要求1-7任一项所述的步骤。10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成权利要求1-7任一项所述的步骤。

技术总结
本发明公开了基于博弈控制的商用车爆胎工况稳定控制方法及系统，属于智能驾驶控制技术领域。本发明在车辆行驶过程中，对车轮轮胎及车辆状态进行实时检测，当检测到车轮爆胎之后，根据爆胎车轮的位置、爆胎产生的路线及横摆角速度偏移，结合博弈控制理论计算出最优的方向盘转角及直接横摆力矩，并根据爆胎的位置进行制动力分配，从而使车辆行驶稳定。解决了现有技术中存在的“车辆在爆胎后由于车轮附着力不同而导致失稳”的问题。的问题。的问题。


技术研发人员：吴德喜 陈振国 徐海柱 王飞
受保护的技术使用者：中通客车股份有限公司
技术研发日：2023.06.20
技术公布日：2023/10/6