基于稳定域的四轮独立驱动智能电动汽车路径规划方法

技术领域

本发明属于新能源汽车设计与制造领域，涉及四轮独立驱动智能电动汽车路径规划技术，是一种四轮独立驱动智能电动汽车路径规划方法。

背景技术

随着汽车保有量的不断增加，伴随而来的道路交通事故频发、城市交通拥堵加剧和环境污染等一系列问题日益凸显，汽车行业迎来了“新四化”的挑战，将汽车电动化、网联化、智能化、共享化作为汽车行业发展的未来趋势和当前行业瓶颈的重要突破口，因此智能驾驶车辆作为国内外研究人员和工程师的研究热点。智能驾驶车辆不同于一般的室内轮式机器人它更多的是以较高速度在复杂的交通环境中行驶，当智能驾驶车辆在高速行驶中，一旦进入失稳状态，即使车载的稳定性控制系统介入，也经常无法恢复车辆的稳定行驶。但是如果充分利用智能驾驶车辆的信息处理和环境感知等方面的能力，利用车辆的动力学模型来预测其在未来一段时间内的行驶的状态，进而提前规划出满足横摆、侧滑等非线性动力学约束、道路边界约束以及环境几何约束的最优路径，并控制车辆在其车身稳定范围之内跟踪所规划出的路径，从而有效地避免交通事故，赋予汽车更高的安全性和高效性。

如今，电动汽车一般以集中式为主，集中式电动汽车轨迹规划和跟踪控制控制算法设计较为保守，即使充分考虑动力学约束规划出最优路径，但因为集中式电动汽车的运动学特性，车辆的纵横运动行为需要符合运动学关系，因此在面对复杂交通环境，集中式电动汽车有着无法突破的重要“瓶颈”，在行驶过程中遇到紧急障碍工况不进行减速或直接无法避障而发生交通事故。

四轮独立驱动电动汽车以轮毂电机为动力单元，融合独立驱动、制动、转向功能的新型电动汽车架构已被国内外研究人员认为是最具发展潜力的电动汽车架构之一。由于摆脱了机械结构限制，汽车各个方向的运动均能通过驱动、制动、转向和悬架子系统作动器施加主动干预，通过合理分配多执行机构的控制指令，能够实现轮胎力矢量控制，相比于集中式电动汽车，四轮独立驱动电动汽车的控制维度变高，因此四轮独立驱动电动汽车的出现为重新设计智能驾驶架构提出新的“挑战”。四轮独立驱动驱动电动汽车的动力学特性不同于集中式电动汽车，它可以打破结构上固有的运动学约束，很多国内外研究表明，四轮独立驱动驱动电动汽车的稳定边界得到拓宽，控制性能比传统车辆得到提高。车辆行驶稳定性和运动可靠性是四轮独立驱动驱动电动汽车智能化水平评价的重要准则，如何充分利用冗余执行器进行提前的运动规划是四轮独立驱动驱动电动汽车实现智能化的关键问题之一，是复杂交通环境下智能驾驶车辆的必经之路。在汽车智能化发展满足多元使用场景需求的大背景下，充分利用四轮独立驱动驱动电动汽车的稳定域进行上层的路径规划至关重要，四轮独立驱动驱动电动汽车智能驾驶层和底盘控制层之间的关系密不可分而不能孤立。如何揭示四轮独立驱动驱动电动汽车的这种新动力构型车辆的稳定域影响机理，利用稳定域重新设计运动规划和跟踪控制架构成为当前四轮独立驱动驱动智能电动汽车的重要问题。

发明内容

本发明提出了一种四轮独立驱动智能电动汽车路径规划，在充分利用四轮独立驱动电动汽车稳定域的基础上进行路径规划，路径规划算法不仅可以满足智能电动汽车日常驾驶需求，而且在紧急避撞、高速行驶等紧急工况下，同样具有工况适应性好、路径规划准确性高、容错能力强等特点，充分发挥四轮独立驱动电动汽车相比于传统汽车或集中式电动汽车的优势，将四轮驱动电动汽车智能驾驶层和底盘控制层充分紧密的结合，提高电动汽车行驶过程中的安全性和高效性。

本发明解决解决技术问题采用如下技术方案是：

一种基于稳定域的四轮独立驱动智能电动汽车路径规划方法，其特征在于，包含：

建立非线性七自由度非线性车辆模型，七自由度包括纵向、侧向、横摆和4个车轮；

基于上述建立的非线性七自由度车辆模型，得出四轮独立驱动电动汽车的稳定域；

基于上述得出的稳定域，进行路径规划。

通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明的提出可以解决传统车辆和集中式电动汽车局限性和保守性，通过探究四轮独立驱动电动汽车稳定域的影响机理，从而丰富了四轮独立驱动电动汽车智能化相关的理论，揭示了四轮独立驱动电动汽车稳定域的影响机理，路径规划算法可以满足智能电动汽车日常驾驶需求。

本发明的提出在紧急避撞、高速行驶等紧急工况下，同样具有工况适应性好、路径规划准确性高、容错能力强等特点，充分发挥四轮独立驱动电动汽车相比于传统汽车或集中式电动汽车的优势，将四轮驱动电动汽车智能驾驶层和底盘控制层充分紧密的结合，提高电动汽车行驶过程中的安全性和高效性。

附图说明

图1为本发明实例中质心侧偏角—横摆角速度相平面图的稳定域示意图。

图2为本发明实例中稳定域分析流程图。

图3为本发明实例中系统框架图。

下面结合附图对本发明的实施作进一步说明。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

通过探究四轮独立驱动电动汽车稳定域的影响机理，从而丰富了四轮独立驱动电动汽车智能化相关的理论，揭示了四轮独立驱动电动汽车稳定域的影响机理，路径规划算法不仅可以满足智能电动汽车日常驾驶需求，而且在紧急避撞、高速行驶等紧急工况下，同样具有工况适应性好、路径规划准确性高、容错能力强等特点，电动汽车一般以集中式为主，集中式电动汽车轨迹规划和跟踪控制控制算法设计较为保守，即使充分考虑动力学约束规划出最优路径，但因为集中式电动汽车的运动学特性，车辆的纵横运动行为需要符合运动学关系，因此在面对复杂交通环境，集中式电动汽车有着无法突破的重要“瓶颈”。因此，本申请志在提供一种基于稳定域的四轮独立驱动智能电动汽车路径规划方法，改善传统路径规划算法的保守性和局限性，提供四轮独立驱动电动汽车智能化解决方案。

实施例：

基于现有技术的缺陷，图2所示，本申请提供的基于稳定域的四轮独立驱动智能电动汽车路径规划方法包括以下步骤，其是基于图2所示的架构进行实施，图1所示为质心侧偏角—横摆角速度相平面图的稳定域示意图。

第一步：建立七自由度非线性车辆模型，包括纵向、侧向、横摆和4个车轮共7个自由度，轮胎模型选用Dugoff轮胎模型，并通过实车试验对整车质量、整车横摆转动惯量、轮胎滚动半径、轮胎转动惯量、轮胎纵向刚度、轮胎侧偏刚度进行参数辨识。得到上述参数之后，对比所建立的七自由度非线性车辆模型和四轮独立驱动乘用车的输出曲线，包括横摆角速度、质心侧偏角和侧向加速度输出曲线。

第11步，根据四轮独立驱动电动汽车，建立七自由度车辆模型，表达式为：

其中，m为车辆总质量，

第12步，∑F

∑F

∑F

其中，i＝f,r分别表示前轮和后轮，j＝l,r分别表示左轮和右轮，F

第13步，各车轮的纵向滑移率分别为：

其中，i＝f,r分别表示前轮和后轮，j＝l,r分别表示左轮和右轮，λ

第14步，轮胎的侧偏角分别为：

其中，i＝f,r分别表示前轮和后轮，j＝l,r分别表示左轮和右轮，α

第15步，各轮的垂直载荷分别为：

其中，i＝f,r分别表示前轮和后轮，j＝l,r分别表示左轮和右轮，F

第16步，建立的非线性七自由度车辆模型，其中非线性体现在车辆轮胎模型上，本发明中轮胎模型为Dugoff轮胎模型，根据该轮胎模型得到轮胎力以及轮胎侧偏力饱和时最大的侧偏角分别为：

其中，C

第二步：将上述得到的非线性七自由度车辆模型用于后续的理论分析，通过绘制不同的横摆角速度—质心侧偏角相平面图，分析不同前轮转角、纵向车速、路面附着系数以及横摆力矩介入对车身稳定域的影响，总结出相平面图中平衡点、鞍点以及轨线拓扑结构突变的复杂动力学规律。本发明通过绘制相平面图，最终得到不同前轮转角、纵向车速、路面附着系数、横摆力矩介入的相平面图，通过绘制出的大量相平面图，总结出四轮独立驱动电动汽车稳定域变化规律。

第21步，相平面法是分析非线性系统稳定性的有效工具，因此本发明通过绘制β-r相平面图，最终得到不同前轮转角、纵向车速、路面附着系数、横摆力矩介入的β-r相平面图，通过绘制出的大量相平面图，总结出四轮独立驱动电动汽车稳定域变化规律。

第22步，前轮转角等于0时且无横摆力矩介入时的相平面图绘制。

保持前轮转角不变且无横摆力矩介入，纵向车速和路面附着系数分别按照20m/s以及0.7进行参数设定。

第221步，在上述前轮转角为0且无横摆力矩介入时，绘制的β-r相平面中划分出当前状态下车辆的稳定区域，稳定区域由四条直线组成并围成平行四边形的形状，四条直线成为稳定域的边界，该边界将整个区域划分成稳定的相轨迹和不稳定的相轨迹，其中最大和最小的横摆角速度分别表示为：

第222步，最大、最小的质心侧偏角分别表示为，由最大、最小的前轮和后轮轮胎侧偏角决定。

其中，i＝f,r分别表示前轮和后轮，j＝l,r分别表示左轮和右轮，

第223步，在上述稳定域划分的基础上，对其他前轮转角和纵向车速不同组合工况下的车辆相平面图的绘制，根据上述稳定域划分公式划分出当前前轮转角和纵向车速组合下的稳定域。

第23步，前轮转角不等于0时且无横摆力矩介入时的横摆角速度—质心侧偏角相平面图绘制。

第231步，保持纵向车速、路面附着系数不变且无横摆力矩介入，前轮转角为10°，根据之前稳定域划分公式进行稳定域的划分，然后再根据之前的纵向车速和路面附着系数参数设定进行相平面图的绘制。

第232步，根据轮胎力台架测试得到轮胎的不同垂直载荷、侧偏角的附着椭圆曲线，理论分析将附着椭圆简化成如下公式，计算出每个轮胎纵向力的极限值，

其中，i＝f,r分别表示前轮和后轮，j＝l,r分别表示左轮和右轮，F

第233步，因此可以得到轮胎的纵向力变化范围为：

-F

-F

-F

-F

第234步，四轮独立驱动电动汽车转矩分配方式为平均分配，即左侧、右侧的前轴、后轴轮胎纵向力相同，因此左侧、右侧轮胎纵向力范围可以表示为：

其中，i＝f,r分别表示前轮和后轮，j＝l,r分别表示左轮和右轮，F′

第235步，附加的直接横摆力矩计算为：

ΔM

其中，ΔM

第236步，最大、最小的质心侧偏角表示为：

对比当有前轮转角、纵向车速和路面附着系数参数变化对车辆稳定域的影响，当横摆力矩介入对当前车辆状态下的稳定域的影响，通过横摆力矩的介入，当前车辆的横摆角速度值和质心侧偏角可以重新被稳定域所包络，因此下面四轮独立驱动智能电动汽车的路径规划将充分结合其稳定域进行算法设计。

第24步，因此得到车辆不同纵向车速、路面附着系数、前轮转角、附加直接横摆力矩介入时最大的横摆角速度和质心侧偏角的计算，因此根据此来划分稳定域，得到以下直线方程，这些直线所包络的区域即为稳定域。

其中，r为横摆角速度，β为质心侧偏角，r

第三步：路径规划算法的设计，驾驶员驾驶过程中转向避撞或换道行为行驶路径可以根据高次多项式进行拟合得到，建立一元五次多项式曲线，基于稳定域的基础上设计路径规划算法并需要满足一定的基本准则，包括安全性、高效性、路径曲率的边界条件、位移为参数自变量的路径函数表达式的边界条件以及时间为参数自变量的路径函数表达式的边界条件，最终得到符合条件的一元五次多项式曲线。

第31步，本发明采用一元五次多项式曲线进行拟合，一元五次多项式表示为：

y(x)＝a

其中，根据右手定则建立笛卡尔坐标系，x轴与道路中心线重合，并指向车辆前进的方向。

第32步，根据路径的边界条件可得：

y(x

其中，y(x)为一元五次多项式，

第33步，同时路径规划还需要满足一定的基本准则，包括安全性、高效性、路径曲率的边界条件、位移为参数自变量的路径函数表达式的边界条件以及时间为参数自变量的路径函数表达式的边界条件，其中，K为路径曲率，θ为车辆的航向角，规定正角度为顺时针方向。

第331步，因此根据路径的边界条件和规划指标要求，可以计算出期望的路径规划表达式：

第332步，本发明通过前轮主动转向和差动转向的方式来实现车辆转向避撞或变换车道，当车辆从当前车道的质心初始点坐标(x

其中，0＜t＜t

第34步，路径规划还需要满足一定的基本准则，包括：

第341步，转向机构执行约束，车辆在转向过程中存在转向机构的约束，即车辆前轮转角在一定范围之内，且前轮转角的角速度也在一定范围之内，转向机构执行约束的确定影响了参数y

其中，δ

参数y

v

其中，v

第342步，车身稳定域约束，车辆在路径规划要符合车辆动力学的约束，可以满足车辆稳定性和乘坐人员的安全，因此车身稳定域约束从理论分析的稳定域出发，根据稳定域得到横摆角速度和质心侧偏角的范围，因此横摆角速度和质心侧偏角可以分别表示为：

式中，v

根据车身稳定域的横摆角速度和质心侧偏角范围，计算出车辆转向过程的最长完成时间t

r

t

式中，r

第343步，道路边界约束，由于车辆转向避撞或换到过程中需要满足安全性和交通规则的需求，因此需要考虑到道路边界的约束，完成转向之后要保证车辆的几何边界不超出道路边界或者是车道线边界，因此道路边界约束可以表示为：

其中，y

横向位移y

y

其中，y

第344步，环境几何约束对于前方静态和动态的障碍物，需要实时监测障碍物的运动状态，估算出前方障碍物的位置，假设障碍物的位置已知，因此路径规划要满足前方障碍物几何边界约束的要求，求解出车辆完成转向避撞或变换车道的时间t

x

其中，x

第35步，转向机构执行约束、车身稳定域约束、道路边界约束和环境几何约束这几个方面来确定所需要求解的y

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。