一种双节式车辆路径跟踪过程中防止后车节侧翻的方法

1.本发明涉及多节式车辆行驶安全技术领域，特别涉及一种双节式车辆路径跟踪过程中防止后车节侧翻的方法。


背景技术：

2.近年来，随着我国大规模基础设施的建设，国家公路网正以肉眼可见的速度飞速完善，同时因为互联网以及物流行业的兴起，对于我国公路运输又有了新的要求。普通货车与多节式车辆相比，多节式车辆具有运输货量大、运输速度快以及安全灵活等优势，同时满足其他运输形式不能或难以完成的特殊要求的物资运输。因此，多节式车辆早已成为经济发达国家的主流公路运输交通工具之一。同时多节式车辆除了公路运输外，一样可以用于解决城市交通问题。我国虽比发达国家发展的晚，但国内多节式车辆由于近些年来汽车行业的进步，正朝着智能化、专业化、多轴化、多用化等方向发展。
3.由于我国多节式车辆发展开始时间较晚，发展程度较发达国家低，仍然存在一些安全问题。多节式车辆的质量和重心都高的多，所以其行驶稳定性较差，而又由于前车节与后车节中间相互铰接，出现低速行驶机动性差，高速不稳定现象，前后车节体运动互相影响，后车节在转向过程中难以跟随前车节路径，在驾驶过程中极容易发生甩尾、侧滑以及折叠等危险事故。


技术实现要素：

4.发明目的：本发明基于双节式车辆的路径跟踪过程，提供一种双节式车辆稳定行驶的控制方法，防止车辆在转弯过程中由于车速过快或转弯角度过大导致车辆侧翻的问题。
5.技术方案：一种双节式车辆路径跟踪过程中防止后车节侧翻的方法，包括：
6.步骤1、建立多节式车辆的前车节动力学模型，所述前车节动力学模型包括以下模块：
7.(1)为车辆提供制动力，同时输入前车节前轮转角的驾驶员模块；
8.(2)用于输出前车节的纵向速度以及横摆角速度的前车节模块；
9.(3)基于视觉传感器建立的用于输出横向位置偏差以及方位偏差的前车节预瞄误差模块；
10.步骤2、对横向位置偏差以及方位偏差采用无量纲化处理,进行权重组合后得出综合误差；将综合误差输入pid控制器中，输出前车节前轮转角；
11.步骤3、建立多节式车辆的后车节动力学模型，所述后车节动力学模型包括以下模块：
12.(1)输出后车纵向速度、后车横摆角速度以及铰接角速度的后车节模块；
13.(2)根据前车节与后车节轨迹之间的位置偏差和方向误差调整前轮转角输入量的轨迹误差模块；
14.(3)基于路径跟踪精度以及操作稳定性的耦合机理，构建碰撞、失稳、舒适度临界值，用于提升车辆的路径跟踪精度的横向安全距离模块；
15.(4)用于输出补偿横摆力矩的侧翻工况判定模块；
16.步骤4、建立前车节与后车节的耦合关系；
17.步骤5、所述前车预瞄模块通过设置ldws模块判定行驶路线为直线行驶或转弯行驶；设置ufk估计模块，通过采集铰接角速度以及纵向速度，获得实际车身侧倾角；
18.ldws(全称“lane departurewarning system”)车道偏离预警系统是一种通过报警的方式辅助驾驶员减少汽车因车道偏离而发生交通事故的系统。
19.ukf(全称“unscented kalman filter”)无迹卡尔曼滤波估计是无损变换(ut)和标准kalman滤波体系的结合，通过无损变换使非线性系统方程适用于线性假设下的标准kalman滤波体系。
20.步骤6、ldws模块判定为直线行驶工况时，计算车辆铰接中心点与车道中心线之间的横向位移偏差，将横向位移偏差及前轮转角作为判别准则，对车辆是否发生偏离进行判定；
21.步骤7、ufk估计模块在ldws模块判定路径为转向行驶工况下，通过采集铰接角速度以及纵向速度，获得实际车身侧倾角，通过后车节模块对未来时间段的车身运动状态进行预估；
22.步骤8、从后车节模块中得到理论车身侧倾角，输入理论车身侧倾角和实际车身倾角至侧翻工况判定模块，判定侧翻工况是否存在，若存在侧翻工况则计算出需要的补偿横摆力矩；
23.步骤9、侧翻控制模块根据补偿横摆力矩计算出车轮制动力反馈给驾驶员模块，对车辆进行差动制动，直至行驶结束。
24.优选项，所述前车节模块以及后车节模块都为三自由度动力学模型，包括侧向、横摆、侧倾三个运动方向，基于前车节的三自由度动力学模型、后车节的三自由度模型以及前车节与后车节的耦合关系，建立双节式汽车动力学模型，并通过以下步骤实现：
25.步骤1a-1：基于前车节侧向、横摆、侧倾运动的三自由度动力学方程以及车轮的旋转运动，建立前车节动力学模型，如图1所示：
26.由图1可知，前车节的动力学方程如下：
[0027][0028][0029][0030]
式中，为前车节的横摆角；δ为前车节前轮转角；v
x1
为前车节纵向速度；v
y1
为前车节的横向速度；a1为前车节质心到前车节前轮的距离；b1为前车节质心到前车节后轮的距离；c1为前车节到铰接点的距离；i
z1
为前车节横摆转动惯量；f
xf
、f
xr
为对应轮胎的纵向力；f
yf
、f
yr
分别为侧偏力；f
px
、f
py
分别为铰接点p受到的纵向力和横向力；
[0031]
步骤1a-2：基于后车节侧向、横摆、侧倾运动的三自由度动力学方程以及车轮的旋转运动，建立后车节动力学模型，如图1所示：
[0032]
由图1可知，后车节动力学方程如下：
[0033][0034][0035][0036]
式中，为后车节的横摆角；λ为铰接角；v
x2
为后车节纵向速度；v
y2
为后车节的横向速度；a2为后车节质心到铰接点的距离；b2为后车节质心到后车节后轮的距离；i
z2
为后车节横摆转动惯量；f
xt
为对应轮胎的纵向力；f
yt
分别为侧偏力，f
px
、f
py
分别为铰接点p受到的纵向力和横向力；
[0037]
步骤1a-3：前车节与后车节之间的耦合关系如下所示：
[0038][0039][0040][0041]
式中，分别为前车节、后车节的横摆角；λ为铰接角；v
x1
、v
x2
分别为前车节、后车节纵向速度；v
y1
、v
y2
分别为前车节、后车节的横向速度；c1为前车节到铰接点的距离；a2为后车节质心到铰接点的距离；
[0042]
步骤1a-4：综合上述公式可得七自由度动力学方程如下所示：
[0043][0044]
其中，为系统的状态量，u1＝[δt1t2ꢀꢀ
t3]
t
为系统输入量，矩阵m1和函数f1(ξ1,u1)d具体表达式如下：
[0045][0046]
f1(ξ1,u1)＝[f
11
ꢀꢀf12
ꢀꢀf13
ꢀꢀf14
ꢀꢀf15
]
t
[0047]
其中，
[0048][0049][0050][0051][0052]
[0053]
式中，分别为前车节、后车节的横摆角；δ为前车节前轮转角；λ为铰接角；v
x1
、v
x2
分别为前车节、后车节纵向速度；v
y1
、v
y2
分别为前车节、后车节的横向速度；a1为前车节质心到前车节前轮的距离；b1为前车节质心到前车节后轮的距离；c1为前车节到铰接点的距离；a2为后车节质心到铰接点的距离；b2为后车节质心到后车节后轮的距离；i
z1
为前车节横摆转动惯量；i
z2
为后车节横摆转动惯量；f
xf
、f
xr
、f
xt
为对应轮胎的纵向力；f
yf
、f
yr
、f
yt
分别为侧偏力，m1为前车质量，m2为后车质量。
[0054]
优选项，将所述前车节模块输出的横摆角速度以及纵向速度输入预瞄误差模块，同时外部输入道路曲率以及预瞄距离，最后输出横向位移偏差以及横向方位偏差，将无量纲化后的综合误差经过pid控制器调节后输出新的车轮转角，不断调节汽车行驶方向，进行横向控制；
[0055]
步骤1b-1：根据视觉传感器反馈的车辆的运动状态和获取的道路信息，实时输入前轮转角，使得误差趋于0；构建预瞄误差模型公式：
[0056][0057][0058]
式中，ye为预瞄点处至期望路径中心线切线的横向位移偏差；ε为车辆中心轴与期望路径中心线切线的夹角；ωr为横摆角速度；v
x
、vy分别为横、纵向速度；l为预瞄距离；ρ为道路曲率；
[0059]
步骤1b-2：采用阈值法对横向位移偏差和方向偏差进行无量纲化处理，将无量纲化后的横向跟踪误差与方向误差按一定权重组合为综合误差；
[0060]
步骤1b-3：将步骤1b-2中的综合误差输入pid控制器中，经过pid控制器调节输出车轮转角控制前车节动力学模型，进行前车节路径跟踪。
[0061]
优选项，在前车节规划道路的基础上，建立后车节轨迹误差模型，对后车节的航向角误差做补偿，后车节轨迹误差模型通过以下步骤实现：
[0062]
步骤2a-1：首先，定义后车节轨迹跟踪误差向量：ε＝[e
x1
,e
y1
,ε1,ε2]
t
,
[0063]
式中，e
x1
、e
y1
分别表示前车节质心纵向和侧向位置偏差；ε1、ε2分别表示前车节、后车节的航向角误差；
[0064]
可得误差方程：
[0065][0066][0067][0068][0069]
其中，
[0070]
式中，e
x1
、e
y1
分别表示前车节质心纵向和侧向位置偏差；ε1、ε2分别表示前车节、后车节的航向角误差；ω
r1
、ω
r2
分别为前车节、后车节横摆角速度；分别为前车节、后车节的横摆角；δ为前车节前轮转角；l1、l2分别为牵引车前轴中心到后轴中心的距离、铰接点到挂车后轴的距离；d为牵引车后轴中心到铰接点的距离，v
x1
为前车节纵向速度。
[0071]
步骤2a-2：为了简化控制器，将u＝[v
x1
,ω
r1
]
t
作为控制输入，得状态空间方程：
[0072][0073]
其中，
[0074][0075]
式中，v
x1
为前车节纵向速度；ω
r1
、ω
r2
分别为前车节、后车节横摆角速度；分别为前车节、后车节的横摆角；l1、l2分别为牵引车前轴中心到后轴中心的距离、铰接点到挂车后轴的距离；d为牵引车后轴中心到铰接点的距离。
[0076]
步骤2a-3：根据步骤2a-2得到的状态空间方程，进行离散化，可得：
[0077]
e(k+1)＝a
k,t
e(k)+b
k,t
u(k)+γ(k)
[0078]
其中，a
k,t
＝i+ats，b
k,t
＝i+bts，γ
k,t
＝γts，ts为采样间隔；
[0079]
对状态空间方程的离散化是为了更方便求解最优问题，且需要对状态空间方程扩展，给定新的状态量为ξ(k|t)＝[e(k|t),u(k-1|t)]
t
，得到扩展的方程为：
[0080][0081][0082]
为了减小各个误差，降低模型复杂程度，需要对模型的状态量以及控制量增加惩罚项，得到：
[0083][0084]
s.t.δu
min
≤δu
t
≤δu
max
[0085]umin
≤aδu
t
+u
t
≤u
max
[0086]
步骤2a-4：根据步骤2a-3的最优解反馈给车辆动力学模型，将最优解传输给驾驶员模块，根据汽车实时运动状态调整前车节、后车节的行驶轨迹，以此形成前车节、后车节都按照给定期望路线运动的闭环控制，实现整车路径跟踪。
[0087]
优选项，其中前车节、后车节行驶过程中产生的位置偏差和航向角误差，同时传送回驾驶员模块，经过系统调节，输出合适的车轮转角用于确保整车行驶路线与期望路线重合；
[0088]
优选项，为了确保整车路径跟踪精度，基于视觉传感器建立一种横向安全距离模型，得到车辆所在车道的相对方向和位置信息，同时计算汽车左右两轮与左右车道线之间的横向距离，通过与构建的安全距离比较，从而判断车辆是否发生偏离，具体步骤如下：
[0089]
步骤2b，由图3的位置关系得到车辆左右轮相对于左右车道线的表达式为：
[0090][0091]
[0092]
式中，y0代表车身质心与车道中心线之间的垂直距离，w表示车道宽度，δy
l
、δyr分别为左右轮相对于左右车道线的距离；wc表示车宽，δy
l
、δyr分别为左右轮相对于左右车道线的距离；当δy
l
》0，同时δyr》0成立时，表明汽车在车道内正常行驶；当δy
l
《0或δyr《0时，车辆发生偏离，此时系统将偏离信号传输给驾驶员，提醒驾驶员采取措施避免汽车偏离方向。
[0093]
当ldws模块判定为直线行驶工况时，ldws模块计算车辆铰接中心点与车道中心线之间的横向位移偏差，将横向位移偏差及前轮转角作为判别准则，对车辆是否发生偏离进行判定，当该距离小于设定的阈值时，则表明汽车当前正常行驶，否则，汽车出现横向偏移，此时通过预警提醒驾驶员进行相应的补救措施从而使车辆回到正常行驶轨迹上，同时设定车道偏离预警模型的预警定条件为：
[0094]
δ》3
°
[0095]
l
′
》50cm
[0096]
式中，δ表示前轮转角；l
′
表示车辆中心到车道中心线的横向距离。
[0097]
当ldws模块判定为转向行驶工况时，ukf估计模块对汽车车身状态进行补偿，防止其驾驶中侧翻等危险工况；采用ukf估计模块对车辆状态进行预测估计，具体步骤如下：
[0098]
步骤5a-1：ukf估计模块通过铰接角速度以及纵向速度，获得实际车身侧倾角，通过后车动力学模块对未来时间段的车身运动状态预估；
[0099]
步骤5a-2，使用ukf估计模块对车辆实时运动状态参数估计，使用无迹变换(ut)来处理均值和协方差的非线性传递问题，获得实际车身侧倾角；
[0100]
步骤6a-1，根据由后车节模块输出的理论车身侧倾角，结合步骤5所得实际侧倾角，一同输入进侧翻工况判定模块用于判定是否发生侧翻工况，选择横向载荷转移率(ltr)作为侧翻判定因子，其计算公式为：
[0101][0102]
式中，d
ltr
为ltr计算值；f
zl
、f
zr
分别为车辆左、右车轮的垂向载荷；
[0103]
步骤6a-2，横向载荷转移率绝对值的阈值选择为0.85，在识别出发生侧翻工况的情况下，结合车辆实时运动状态参数，计算出控制所需的补偿横摆力矩；
[0104]
步骤6a-3，侧翻控制模块根据步骤6a-2所需的补偿横摆力矩计算出车辆制动压力，采用柔性pid控制算法进行调节，并通过差动制动的方式实现。
[0105]
优选项，将上述步骤输出的综合误差以及所需补偿制动力输入进驾驶员模块，提醒驾驶员采取措施修正方向盘，调节前轮转角；同时给予一定制动力用来补偿车身状态，防止车身侧倾造成危险工况，预警系统根据行驶状况采取相应的反应直至双节式车辆安全行驶结束。
[0106]
有益效果：本发明在对双节式车辆路径跟踪技术的基础上，通过路况识别，将车辆行驶分为直线与转弯行驶模式；直线行驶过程中判定车辆是否偏离预估路线，若出现偏离现象，通过输出调节前车轮转角控制前车实现直线模式下的稳定行驶；转弯行驶过程中，ufk估计模块通过采集数据可以对车身未来运动状态进行预估，并且通过对比可判断出双节式车辆后车节是否出现侧翻工况，计算出补偿横摆力矩反馈到驾驶员模块对车辆进行差动制动以达到控制车辆稳定行驶的目的。
附图说明
[0107]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0108]
图1是多节式车辆防侧翻控制方法流程图；
[0109]
图2是多节式车辆单轨模型图；
[0110]
图3是预瞄误差模型图；
[0111]
图4是车辆位置信息图；
[0112]
图5是侧翻工况参考模型图；
[0113]
图6是前轮转角优化效果图；
[0114]
图7是横向位置优化效果图；图8是侧翻控制ltr效果图；
具体实施方式
[0115]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0116]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0117]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0118]
一种双节式车辆路径跟踪过程中防止后车节侧翻的方法，包括：
[0119]
步骤1、建立多节式车辆的前车节动力学模型，所述前车节动力学模型包括以下模块：
[0120]
(1)为车辆提供制动力，同时输入前车节前轮转角的驾驶员模块；
[0121]
(2)用于输出前车节的纵向速度以及横摆角速度的前车节模块；所述前车节模块为三自由度动力学模型，包括侧向、横摆、侧倾三个运动方向；
[0122]
(3)基于视觉传感器建立的用于输出横向位置偏差以及方位偏差的前车节预瞄误差模块；
[0123]
基于前车节侧向、横摆、侧倾运动的三自由度动力学方程以及车轮的旋转运动，建立前车节动力学模型，如图1所示：
[0124]
由图1可知，前车节的动力学方程如下：
[0125][0126][0127][0128]
式中，为前车节的横摆角；δ为前车节前轮转角；v
x1
为前车节纵向速度；v
y1
为前车节的横向速度；a1为前车节质心到前车节前轮的距离；b1为前车节质心到前车节后轮的距离；c1为前车节到铰接点的距离；i
z1
为前车节横摆转动惯量；f
xf
、f
xr
为对应轮胎的纵向力；f
yf
、f
yr
分别为侧偏力；f
px
、f
py
分别为铰接点p受到的纵向力和横向力，m1为前车质量；
[0129]
步骤2、对横向位置偏差以及方位偏差采用无量纲化处理,进行权重组合后得出综合误差；将综合误差输入pid控制器中，输出前车节前轮转角；
[0130]
步骤3、建立多节式车辆的后车节动力学模型，所述后车节动力学模型包括以下模块：
[0131]
(1)输出后车纵向速度、后车横摆角速度以及铰接角速度的后车节模块；所述后车节模块为三自由度动力学模型，包括侧向、横摆、侧倾三个运动方向；
[0132]
(2)根据前车节与后车节轨迹之间的位置偏差和方向误差调整前轮转角输入量的轨迹误差模块；
[0133]
(3)基于路径跟踪精度以及操作稳定性的耦合机理，构建碰撞、失稳、舒适度临界值，用于提升车辆的路径跟踪精度的横向安全距离模块；
[0134]
(4)用于输出补偿横摆力矩的侧翻工况判定模块；
[0135]
基于后车节侧向、横摆、侧倾运动的三自由度动力学方程以及车轮的旋转运动，建立后车节动力学模型，如图1所示：
[0136]
由图1可知，后车节动力学方程如下：
[0137][0138][0139][0140]
式中，为后车节的横摆角；λ为铰接角；v
x2
为后车节纵向速度；v
y2
为后车节的横向速度；a2为后车节质心到铰接点的距离；b2为后车节质心到后车节后轮的距离；i
z2
为后车节横摆转动惯量；f
xt
为对应轮胎的纵向力；f
yt
分别为侧偏力，f
px
、f
py
分别为铰接点p受到的纵向力和横向力，m2为后车质量；
[0141]
步骤4、建立前车节与后车节的耦合关系；
[0142]
前车节与后车节之间的耦合关系如下所示：
[0143][0144][0145][0146]
式中，分别为前车节、后车节的横摆角；λ为铰接角；v
x1
、v
x2
分别为前车节、后车节纵向速度；v
y1
、v
y2
分别为前车节、后车节的横向速度；c1为前车节到铰接点的距离；a2为后车节质心到铰接点的距离；
[0147]
综合上述公式可得七自由度动力学方程如下所示：
[0148][0149]
其中，为系统的状态量，u1＝[δt1t2ꢀꢀ
t3]
t
为系统输入量，矩阵m1和函数f1(ξ1,u1)d具体表达式如下：
[0150][0151]
f1(ξ1,u1)＝[f
11
ꢀꢀf12
ꢀꢀf13
ꢀꢀf14
ꢀꢀf15
]
t
[0152]
其中，
[0153][0154][0155][0156][0157][0158]
式中，分别为前车节、后车节的横摆角；δ为前车节前轮转角；λ为铰接角；v
x1
、v
x2
分别为前车节、后车节纵向速度；v
y1
、v
y2
分别为前车节、后车节的横向速度；a1为前车节质心到前车节前轮的距离；b1为前车节质心到前车节后轮的距离；c1为前车节到铰接点的距离；a2为后车节质心到铰接点的距离；b2为后车节质心到后车节后轮的距离；i
z1
为前车节横摆转动惯量；i
z2
为后车节横摆转动惯量；f
xf
、f
xr
、f
xt
为对应轮胎的纵向力；f
yf
、f
yr
、f
yt
分别为侧偏力，m1为前车质量，m2为后车质量。
[0159]
步骤5、所述前车预瞄模块通过设置ldws模块判定行驶路线为直线行驶或转弯行驶；设置ukf估计模块，通过采集铰接角速度以及纵向速度，获得实际车身侧倾角；
[0160]
步骤6、ldws模块判定为直线行驶工况时，计算车辆铰接中心点与车道中心线之间的横向位移偏差，将横向位移偏差及前轮转角作为判别准则，对车辆是否发生偏离进行判定；
[0161]
当ldws模块判定为直线行驶工况时，ldws模块计算车辆铰接中心点与车道中心线之间的横向位移偏差，将横向位移偏差及前轮转角作为判别准则，对车辆是否发生偏离进行判定，当该距离小于设定的阈值时，则表明汽车当前正常行驶，否则，汽车出现横向偏移，此时通过预警提醒驾驶员进行相应的补救措施从而使车辆回到正常行驶轨迹上，同时设定车道偏离预警模型的预警定条件为：
[0162]
δ》3
°
[0163]
l
′
》50cm
[0164]
式中，δ表示前轮转角；l
′
表示车辆中心到车道中心线的横向距离。
[0165]
将所述前车节模块输出的横摆角速度以及纵向速度输入预瞄误差模块，同时外部输入道路曲率以及预瞄距离，最后输出横向位移偏差以及横向方位偏差，将无量纲化后的综合误差经过pid控制器调节后输出新的车轮转角，不断调节汽车行驶方向，进行横向控制；
[0166]
根据视觉传感器反馈的车辆的运动状态和获取的道路信息，实时输入前轮转角，使得误差趋于0；构建预瞄误差模型公式：
[0167][0168][0169]
式中，ye为预瞄点处至期望路径中心线切线的横向位移偏差；ε为车辆中心轴与期望路径中心线切线的夹角；ωr为横摆角速度；v
x
、vy分别为横、纵向速度；l为预瞄距离；ρ为道路曲率；
[0170]
采用阈值法对横向位移偏差和方向偏差进行无量纲化处理，将无量纲化后的横向跟踪误差与方向误差按一定权重组合为综合误差；将所得到的综合误差输入pid控制器中，经过pid控制器调节输出车轮转角控制前车节动力学模型，进行前车节路径跟踪。
[0171]
步骤7、ukf估计模块在ldws模块判定路径为转向行驶工况下，首先针对后车节的路径跟踪作出基于前车节的规划道路的后车节轨迹误差模型；
[0172]
在前车节规划道路的基础上，建立后车节轨迹误差模型，对后车节的航向角误差做补偿，后车节轨迹误差模型通过以下步骤实现：
[0173]
首先，定义后车节轨迹跟踪误差向量：ε＝[e
x1
,e
y1
,ε1,ε2]
t
,
[0174]
式中，e
x1
、e
y1
分别表示前车节质心纵向和侧向位置偏差；ε1、ε2分别表示前车节、后车节的航向角误差；
[0175]
可得误差方程：
[0176][0177][0178][0179][0180]
其中，
[0181]
式中，e
x1
、e
y1
分别表示前车节质心纵向和侧向位置偏差；ε1、ε2分别表示前车节、后车节的航向角误差；ω
r1
、ω
r2
分别为前车节、后车节横摆角速度；分别为前车节、后车节的横摆角；δ为前车节前轮转角；l1、l2分别为牵引车前轴中心到后轴中心的距离、铰接点到挂车后轴的距离；d为牵引车后轴中心到铰接点的距离,v
x1
为前车节纵向速度。
[0182]
步骤2a-2：为了简化控制器，将u＝[v
x1
,ω
r1
]
t
作为控制输入，得状态空间方程：
[0183]
[0184]
其中，
[0185][0186]
式中，v
x1
为前车节纵向速度；ω
r1
、ω
r2
分别为前车节、后车节横摆角速度；分别为前车节、后车节的横摆角；l1、l2分别为牵引车前轴中心到后轴中心的距离、铰接点到挂车后轴的距离；d为牵引车后轴中心到铰接点的距离。
[0187]
步骤2a-3：根据步骤2a-2得到的状态空间方程，进行离散化，可得：
[0188]
e(k+1)＝a
k,t
e(k)+b
k,t
u(k)+γ(k)
[0189]
其中，a
k,t
＝i+ats，b
k,t
＝i+bts，γ
k,t
＝γts，ts为采样间隔；
[0190]
对状态空间方程的离散化是为了更方便求解最优问题，且需要对状态空间方程扩展，给定新的状态量为ξ(k|t)＝[e(k|t),u(k-1|t)]
t
，得到扩展的方程为：
[0191][0192][0193]
为了减小各个误差，降低模型复杂程度，需要对模型的状态量以及控制量增加惩罚项，得到：
[0194][0195]
s.t.δu
min
≤δu
t
≤δu
max
[0196]umin
≤aδu
t
+u
t
≤u
max
[0197]
步骤2a-4：根据步骤2a-3的最优解反馈给车辆动力学模型，将最优解传输给驾驶员模块，根据汽车实时运动状态调整前车节、后车节的行驶轨迹，以此形成前车节、后车节都按照给定期望路线运动的闭环控制，实现整车路径跟踪。
[0198]
其中前车节、后车节行驶过程中产生的位置偏差和航向角误差，同时传送回驾驶员模块，经过系统调节，输出合适的车轮转角用于确保整车行驶路线与期望路线重合；
[0199]
为了确保整车路径跟踪精度，基于视觉传感器建立一种横向安全距离模型，得到车辆所在车道的相对方向和位置信息，同时计算汽车左右两轮与左右车道线之间的横向距离，通过与构建的安全距离比较，从而判断车辆是否发生偏离，具体步骤如下：
[0200]
由图3的位置关系得到车辆左右轮相对于左右车道线的表达式为：
[0201][0202][0203]
式中，y0代表车身质心与车道中心线之间的垂直距离，w表示车道宽度，δy
l
、δyr分别为左右轮相对于左右车道线的距离；wc表示车宽，δy
l
、δyr分别为左右轮相对于左右车道线的距离；当δy
l
》0，同时δyr》0成立时，表明汽车在车道内正常行驶；当δy
l
《0或δyr《0时，车辆发生偏离，此时系统将偏离信号传输给驾驶员，提醒驾驶员采取措施避免汽车偏离方向。
[0204]
通过采集铰接角速度以及纵向速度，获得实际车身侧倾角，通过后车节模块对未来时间段的车身运动状态进行预估；
[0205]
当ldws模块判定为转向行驶工况时，ukf估计模块对汽车车身状态进行补偿，防止其驾驶中侧翻等危险工况；采用ukf估计模块对车辆状态进行预测估计，具体步骤如下：
[0206]
ukf估计模块通过铰接角速度以及纵向速度，获得实际车身侧倾角，通过后车动力学模块对未来时间段的车身运动状态预估；
[0207]
使用ukf估计模块对车辆实时运动状态参数估计，使用无迹变换(ut)来处理均值和协方差的非线性传递问题，获得实际车身侧倾角；
[0208]
步骤8、从后车节模块中得到理论车身侧倾角，输入理论车身侧倾角和实际车身倾角至侧翻工况判定模块，判定侧翻工况是否存在，若存在侧翻工况则计算出需要的补偿横摆力矩；
[0209]
根据由后车节模块输出的理论车身侧倾角，结合步骤5所得实际侧倾角，一同输入进侧翻工况判定模块用于判定是否发生侧翻工况，选择横向载荷转移率(ltr)作为侧翻判定因子，其计算公式为：
[0210][0211]
式中，d
ltr
为ltr计算值；f
zl
、f
zr
分别为车辆左、右车轮的垂向载荷；
[0212]
横向载荷转移率绝对值的阈值选择为0.85，在识别出发生侧翻工况的情况下，结合车辆实时运动状态参数，计算出控制所需的补偿横摆力矩；侧翻控制模块根据所需的补偿横摆力矩计算出车辆制动压力，采用柔性pid控制算法进行调节，并通过差动制动的方式实现控制车辆稳定行驶的目的。
[0213]
步骤9、将上述步骤输出的综合误差以及所需补偿制动力输入进驾驶员模块，提醒驾驶员采取措施修正方向盘，调节前轮转角；同时对车辆进行差动制动，用来补偿车身状态，防止车身侧倾造成危险工况，预警系统根据行驶状况采取相应的反应直至双节式车辆安全行驶结束。
[0214]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0215]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种双节式车辆路径跟踪过程中防止后车节侧翻的方法，其特征在于，包括：步骤1、建立多节式车辆的前车节动力学模型，所述前车节动力学模型包括以下模块：(1)为车辆提供制动力，同时输入前车节前轮转角的驾驶员模块；(2)用于输出前车节的纵向速度以及横摆角速度的前车节模块；(3)基于视觉传感器建立的用于输出横向位置偏差以及方位偏差的前车节预瞄误差模块；步骤2、对横向位置偏差以及方位偏差采用无量纲化处理,进行权重组合后得出综合误差；将综合误差输入pid控制器中，输出前车节前轮转角；步骤3、建立多节式车辆的后车节动力学模型，所述后车节动力学模型包括以下模块：(1)输出后车纵向速度、后车横摆角速度以及铰接角速度的后车节模块；(2)根据前车节与后车节轨迹之间的位置偏差和方向误差调整前轮转角输入量的轨迹误差模块；(3)基于路径跟踪精度以及操作稳定性的耦合机理，构建碰撞、失稳、舒适度临界值，用于提升车辆的路径跟踪精度的横向安全距离模块；(4)用于输出补偿横摆力矩的侧翻工况判定模块；步骤4、建立前车节与后车节的耦合关系；步骤5、所述前车预瞄模块通过设置ldws模块判定行驶路线为直线行驶或转弯行驶；设置ufk估计模块，通过采集铰接角速度以及纵向速度，获得实际车身侧倾角；步骤6、ldws模块判定为直线行驶工况时，计算车辆铰接中心点与车道中心线之间的横向位移偏差，将横向位移偏差及前轮转角作为判别准则，对车辆是否发生偏离进行判定；步骤7、ufk估计模块在ldws模块判定路径为转向行驶工况下，通过采集铰接角速度以及纵向速度，获得实际车身侧倾角，通过后车节模块对未来时间段的车身运动状态进行预估；步骤8、从后车节模块中得到理论车身侧倾角，输入理论车身侧倾角和实际车身倾角至侧翻工况判定模块，判定侧翻工况是否存在，若存在侧翻工况则计算出需要的补偿横摆力矩；步骤9、侧翻控制模块根据补偿横摆力矩计算出车轮制动力反馈给驾驶员模块，对车辆进行差动制动，直至行驶结束。2.根据权利要求1所述的双节式车辆路径跟踪过程中防止后车节侧翻的方法，其特征在于：所述前车节模块以及后车节模块都为三自由度动力学模型，包括侧向、横摆、侧倾三个运动方向，基于前车节的三自由度动力学模型、后车节的三自由度模型以及前车节与后车节的耦合关系，建立双节式汽车动力学模型，并通过以下步骤实现：步骤1a-1：基于前车节侧向、横摆、侧倾运动的三自由度动力学方程以及车轮的旋转运动，建立前车节动力学模型,前车节的动力学方程如下：建立前车节动力学模型,前车节的动力学方程如下：建立前车节动力学模型,前车节的动力学方程如下：式中，为前车节的横摆角；δ为前车节前轮转角；v
x1
为前车节纵向速度；v
y1
为前车节
的横向速度；a1为前车节质心到前车节前轮的距离；b1为前车节质心到前车节后轮的距离；c1为前车节到铰接点的距离；i
z1
为前车节横摆转动惯量；f
xf
、f
xr
为对应轮胎的纵向力；f
yf
、f
yr
分别为侧偏力；f
px
、f
py
分别为铰接点p受到的纵向力和横向力，m1为前车质量；步骤1a-2：基于后车节侧向、横摆、侧倾运动的三自由度动力学方程以及车轮的旋转运动，建立后车节动力学模型,后车节动力学方程如下：建立后车节动力学模型,后车节动力学方程如下：建立后车节动力学模型,后车节动力学方程如下：式中，为后车节的横摆角；λ为铰接角；v
x2
为后车节纵向速度；v
y2
为后车节的横向速度；a2为后车节质心到铰接点的距离；b2为后车节质心到后车节后轮的距离；i
z2
为后车节横摆转动惯量；f
xt
为对应轮胎的纵向力；f
yt
分别为侧偏力，f
px
、f
py
分别为铰接点p受到的纵向力和横向力，m2为后车质量；步骤1a-3：前车节与后车节之间的耦合关系如下所示：前车节与后车节之间的耦合关系如下所示：前车节与后车节之间的耦合关系如下所示：式中，分别为前车节、后车节的横摆角；λ为铰接角；v
x1
、v
x2
分别为前车节、后车节纵向速度；v
y1
、v
y2
分别为前车节、后车节的横向速度；c1为前车节到铰接点的距离；a2为后车节质心到铰接点的距离；步骤1a-4：综合上述公式可得七自由度动力学方程如下所示：其中，为系统的状态量，u1＝[δt1t2ꢀꢀ
t3]
t
为系统输入量，矩阵m1和函数f1(ξ1,u1)d具体表达式如下：f1(ξ1,u1)＝[f
11
ꢀꢀ
f
12
ꢀꢀ
f
13
ꢀꢀ
f
14
ꢀꢀ
f
15
]
t
其中，
式中，分别为前车节、后车节的横摆角；δ为前车节前轮转角；λ为铰接角；v
x1
、v
x2
分别为前车节、后车节纵向速度；v
y1
、v
y2
分别为前车节、后车节的横向速度；a1为前车节质心到前车节前轮的距离；b1为前车节质心到前车节后轮的距离；c1为前车节到铰接点的距离；a2为后车节质心到铰接点的距离；b2为后车节质心到后车节后轮的距离；i
z1
为前车节横摆转动惯量；i
z2
为后车节横摆转动惯量；f
xf
、f
xr
、f
xt
为对应轮胎的纵向力；f
yf
、f
yr
、f
yt
分别为侧偏力，m1为前车质量，m2为后车质量。3.根据权利要求1所述双节式车辆路径跟踪过程中防止后车节侧翻的方法，其特征在于，将所述前车节模块输出的横摆角速度以及纵向速度输入预瞄误差模块，同时外部输入道路曲率以及预瞄距离，最后输出横向位移偏差以及横向方位偏差，将无量纲化后的综合误差经过pid控制器调节后输出新的车轮转角，不断调节汽车行驶方向，进行横向控制；步骤1b-1：根据视觉传感器反馈的车辆的运动状态和获取的道路信息，实时输入前轮转角，使得误差趋于0；构建预瞄误差模型公式：构建预瞄误差模型公式：式中，y
e
为预瞄点处至期望路径中心线切线的横向位移偏差；ε为车辆中心轴与期望路径中心线切线的夹角；ω
r
为横摆角速度；v
x
、v
y
分别为横、纵向速度；l为预瞄距离；ρ为道路曲率；步骤1b-2：采用阈值法对横向位移偏差和方向偏差进行无量纲化处理，将无量纲化后的横向跟踪误差与方向误差按一定权重组合为综合误差；步骤1b-3：将步骤1b-2中的综合误差输入pid控制器中，经过pid控制器调节输出车轮转角控制前车节动力学模型，进行前车节路径跟踪。4.根据权利要求1所述的双节式车辆路径跟踪过程中防止后车节侧翻的方法，其特征在于，在前车节规划道路的基础上，建立后车节轨迹误差模型，对后车节的航向角误差做补偿，后车节轨迹误差模型通过以下步骤实现：步骤2a-1：首先，定义后车节轨迹跟踪误差向量：ε＝[e
x1
,e
y1
,ε1,ε2]
t
,式中，e
x1
、e
y1
分别表示前车节质心纵向和侧向位置偏差；ε1、ε2分别表示前车节、后车节的航向角误差；可得误差方程：可得误差方程：
其中，式中，e
x1
、e
y1
分别表示前车节质心纵向和侧向位置偏差；ε1、ε2分别表示前车节、后车节的航向角误差；ω
r1
、ω
r2
分别为前车节、后车节横摆角速度；分别为前车节、后车节的横摆角；δ为前车节前轮转角；l1、l2分别为牵引车前轴中心到后轴中心的距离、铰接点到挂车后轴的距离；d为牵引车后轴中心到铰接点的距离，v
x1
为前车节纵向速度。步骤2a-2：为了简化控制器，将u＝[v
x1
,ω
r1
]
t
作为控制输入，得状态空间方程：其中，式中，v
x1
为前车节纵向速度；ω
r1
、ω
r2
分别为前车节、后车节横摆角速度；分别为前车节、后车节的横摆角；l1、l2分别为牵引车前轴中心到后轴中心的距离、铰接点到挂车后轴的距离；d为牵引车后轴中心到铰接点的距离；步骤2a-3：根据步骤2a-2得到的状态空间方程，进行离散化，可得：e(k+1)＝a
k,t
e(k)+b
k,t
u(k)+γ(k)其中，a
k,t
＝i+at
s
，b
k,t
＝i+bt
s
，γ
k,t
＝γt
s
，ts为采样间隔；对状态空间方程的离散化是为了更方便求解最优问题，且需要对状态空间方程扩展，给定新的状态量为ξ(k|t)＝[e(k|t),u(k-1|t)]
t
，得到扩展的方程为：得到扩展的方程为：为了减小各个误差，降低模型复杂程度，需要对模型的状态量以及控制量增加惩罚项，得到：s.t.δu
min
≤δu
t
≤δu
max
u
min
≤aδu
t
+u
t
≤u
max
步骤2a-4：根据步骤2a-3的最优解反馈给车辆动力学模型，将最优解传输给驾驶员模块，根据汽车实时运动状态调整前车节、后车节的行驶轨迹，以此形成前车节、后车节都按照给定期望路线运动的闭环控制，实现整车路径跟踪。5.根据权利要求4所述的双节式车辆路径跟踪过程中防止后车节侧翻的方法，其特征在于，其中前车节、后车节行驶过程中产生的位置偏差和航向角误差，同时传送回驾驶员模
块，经过系统调节，输出合适的车轮转角用于确保整车行驶路线与期望路线重合；基于视觉传感器建立一种横向安全距离模型，得到车辆所在车道的相对方向和位置信息，同时计算汽车左右两轮与左右车道线之间的横向距离，通过与构建的安全距离比较，从而判断车辆是否发生偏离，具体步骤如下：步骤2b，由图3的位置关系得到车辆左右轮相对于左右车道线的表达式为：由图3的位置关系得到车辆左右轮相对于左右车道线的表达式为：式中，y0代表车身质心与车道中心线之间的垂直距离，w表示车道宽度，δy
l
、δy
r
分别为左右轮相对于左右车道线的距离；w
c
表示车宽，δy
l
、δy
r
分别为左右轮相对于左右车道线的距离；当δy
l
>0，同时δy
r
>0成立时，表明汽车在车道内正常行驶；当δy
l
<0或δy
r
<0时，车辆发生偏离，此时系统将偏离信号传输给驾驶员，提醒驾驶员采取措施避免汽车偏离方向。6.根据权利要求1所述双节式车辆路径跟踪过程中防止后车节侧翻的方法，其特征在于，当ldws模块判定为直线行驶工况时，ldws模块计算车辆铰接中心点与车道中心线之间的横向位移偏差，将横向位移偏差及前轮转角作为判别准则，对车辆是否发生偏离进行判定，当该距离小于设定的阈值时，则表明汽车当前正常行驶，否则，汽车出现横向偏移，此时通过预警提醒驾驶员进行相应的补救措施从而使车辆回到正常行驶轨迹上，同时设定车道偏离预警模型的预警定条件为：δ>3
°
l
′
>50cm式中，δ表示前轮转角；l
′
表示车辆中心到车道中心线的横向距离。7.根据权利要求1所述双节式车辆路径跟踪过程中防止后车节侧翻的方法，其特征在于，当ldws模块判定为转向行驶工况时，ukf估计模块对汽车车身状态进行补偿，防止其驾驶中侧翻等危险工况,具体步骤如下：步骤5a-1：ukf估计模块通过铰接角速度以及纵向速度，获得实际车身侧倾角，通过后车动力学模块对未来时间段的车身运动状态预估；步骤5a-2，使用ukf估计模块对车辆实时运动状态参数估计，使用无迹变换(ut)来处理均值和协方差的非线性传递问题，获得实际车身侧倾角；步骤6a-1，根据由后车节模块输出的理论车身侧倾角，结合步骤5所得实际侧倾角，一同输入进侧翻工况判定模块用于判定是否发生侧翻工况，选择横向载荷转移率(ltr)作为侧翻判定因子，其计算公式为：式中，d
ltr
为ltr计算值；f
zl
、f
zr
分别为车辆左、右车轮的垂向载荷；步骤6a-2，横向载荷转移率绝对值的阈值选择为0.85，在识别出发生侧翻工况的情况下，结合车辆实时运动状态参数，计算出控制所需的补偿横摆力矩；步骤6a-3，侧翻控制模块根据步骤6a-2所需的补偿横摆力矩计算出车辆制动压力，采
用柔性pid控制算法进行调节，并通过差动制动的方式实现。8.根据权利1所述的双节式车辆路径跟踪过程中防止后车节侧翻的方法，将上述步骤输出的综合误差以及所需补偿制动力输入进驾驶员模块，提醒驾驶员采取措施修正方向盘，调节前轮转角；同时给予一定制动力用来补偿车身状态，防止车身侧倾造成危险工况，预警系统根据行驶状况采取相应的反应直至双节式车辆安全行驶结束。

技术总结
本申请公开一种双节式车辆路径跟踪过程中防止后车节侧翻的方法，考虑车辆动力学性能，防止路径跟踪过程中车辆侧翻。包括：建立多节式车辆前车节模型与后车节模型，确保前车节有效跟踪以及后车节精确跟踪；根据视觉传感器获取的道路信息，通过高级辅助驾驶系统模块判定行驶工况，对车辆是否发生偏离进行判定；通过无迹卡尔曼滤波估计模块得到实际车身侧倾角；将理论车身侧倾角输入侧翻工况判定模块，输出车轮制动力，达到差动制动的效果；本发明基于前车节预瞄误差模型设计后车节轨迹误差模型，又基于动力学模型预测设计侧翻预警系统逻辑流程，有效提高了双节式车辆路径跟踪行驶过程中车辆行驶的稳定性和安全性。过程中车辆行驶的稳定性和安全性。过程中车辆行驶的稳定性和安全性。


技术研发人员：汪若尘 万佳楠 陈杰 丁仁凯
受保护的技术使用者：江苏大学
技术研发日：2023.01.09
技术公布日：2023/6/27