发明内容

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种多模式线控底盘系统及其控制方法，实现对线控底盘系统的线控转向系统、线控制动系统和线控驱动系统三个子系统之间的协调控制，从而使得线控底盘系统可以根据不同的驾驶工况切换不同的工作模式。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的一种多模式线控底盘系统，包括：线控转向系统、线控制动系统、线控驱动系统以及底盘集成控制系统；其中，

所述线控转向系统包括：方向盘、转向管柱、转角传感器、转矩传感器、路感电机、路感电机减速机构、转向助力电机、转向助力电机减速机构、转向助力电机转速传感器、齿轮齿条转向器、转向横拉杆和转向梯形；转角传感器和转矩传感器安装在转向管柱上；路感电机输出的反馈力矩通过路感电机减速机构和转向管柱作用到方向盘上；转向助力电机的助力力矩通过转向助力电机减速机构和齿轮齿条转向器作用到转向横拉杆和转向梯形上；

所述线控制动系统包括：制动踏板、制动踏板位置传感器、制动电机、制动电机减速机构、制动电机转速传感器和制动轮缸；制动电机输出的力矩通过制动电机减速机构作用到制动轮缸上产生制动力矩；

所述驱动系统包括：油门踏板、油门踏板位置传感器、轮毂电机和轮速传感器；油门踏板位置传感器安装在油门踏板上；轮毂电机安装在车轮内部；轮速传感器安装在车轮上；

所述底盘集成控制系统包括：底盘控制器、环境感知单元和车辆状态单元；底盘控制器的输入端连接转角传感器、转矩传感器、制动踏板位置传感器、油门踏板位置传感器、转向助力电机转速传感器、制动电机转速传感器、轮速传感器、环境感知单元和车辆状态单元；环境感知单元用来感知车辆周围环境信息；车辆状态单元用来获取车速和横摆角速度；

进一步地，所述底盘控制单元包括：信息处理单元、底盘状态数据库、底盘决策单元、底盘驱动单元和危险预警单元；信号处理单元分别与转角传感器、转矩传感器、制动踏板位置传感器、油门踏板位置传感器、转向助力电机转速传感器、制动电机转速传感器、轮速传感器电气连接，实时获取各传感器的采集的信息；同时信号处理单元与环境感知单元和车辆状态单元电气连接，实时获取采集的车辆周围环境信息和车速和横摆角速度信号；底盘决策单元通过车载通讯线路接收信号处理单元和底盘决策数据库的输入信号，经过决策计算通过车载通讯线路向底盘驱动单元和危险预警单元输出指令；底盘驱动单元分别输出路感电机、转向助力电机、制动电机、轮毂电机的控制信号；危险预警单元根据接收到的指令，提醒驾驶员可能存在的危险；从而完成多模式线控底盘的控制。

本发明的一种多模式线控底盘的控制方法，基于上述系统，包括以下步骤：

1)根据车辆当前所处工况，驾驶员进行加速、制动或转向操作；

2)环境检测单元实时监测车辆周围环境信息，包括：前方车辆或障碍物信息，相邻车道车辆以及障碍物信息；对监测到的环境信息进行滤波处理，并将处理过的信息传输给底盘决策单元；

3)信息处理单元实时接收转角信号、转矩信号、制动踏板位置信号、油门踏板位置信号、转向电机转速信号、制动电机转速信号、轮速信号；对上述信号进行整合处理，得到当前底盘状态信息，并传输给底盘决策单元；

4)底盘决策单元对传感器信息、车辆状态信息以及环境信息进行整合处理，评估当前车辆所处工况，根据底盘数据库中储存的各个工况下的期望的车辆前轮转角、期望的驱动力和期望的制动力进行决策计算，得到下一时刻期望的车辆前轮转角、期望的驱动力和期望的制动力；同时还得到下一时刻期望的驾驶路感，并计算出下一时刻期望的驾驶路感对应的转向管柱力矩；同时底盘决策单元根据上述决策计算结果选择底盘相应的工作模式；并向底盘驱动单元输出指令；

5)底盘驱动单元根据底盘决策单元输出的指令，选择线控底盘系统中线控驱动系统、线控制动系统、线控转向系统的工作方式，分别输出路感电机控制信号、制动电机控制信号、轮毂电机控制信号、转向助力电机控制信号，完成驾驶路感反馈、制动力矩输出、驱动力矩输出及转向助力力矩输出，实现多模式线控底盘系统的协同控制。

进一步地，所述步骤4)中的多模式线控底盘的工作模式具体包括：

41)电动助力模式；当驾驶员驾驶车辆进行中高速工况下的转向操作时，此时，仅由线控转向系统中的转向助力电机提供转向助力；同时，线控制动系统输出横摆力矩实时补偿车辆转向过程中的横摆运动，保证车辆中高速工况下转向时的稳定性；

42)电动差速复合助力模式；当驾驶员驾驶车辆进行低速工况下的转向操作时，此时，线控转向系统中的转向助力电机与线控驱动系统差速转向同时提供转向助力；同时，线控制动系统输出横摆力矩实时补偿车辆转向过程中的横摆运动，保证车辆低速工况下转向时的灵活性和稳定性；

43)紧急制动模式；当车辆前方遇到障碍物，针对于线控底盘系统底盘数据库储存两个最小安全制动距离：第一最小安全制动距离和第二最小安全制动距离；第一最小安全制动距离是仅在线控制动系统制动电机作用下车辆由行驶到完全停止所需的距离；第二最小安全距离是在线控制动系统制动电机和线控驱动系统轮毂电机反转的共同作用下车辆由行驶到完全停止所需的距离；当驾驶员没有转向意图且车辆与前方障碍物距离大于第一最小安全制动距离，危险预警单元提醒驾驶员进行制动操作，仅由线控制动系统提供制动力矩；当驾驶员没有转向意图且车辆与前方障碍物距离处于第一最小安全制动距离和第二最小安全制动距离之间，危险预警单元提醒驾驶员进行制动操作，由线控制动系统和线控驱动系统轮毂电机反转提供制动力矩；在紧急制动的过程中，线控转向系统输出横摆力矩实时补偿车辆紧急制动过程中的横摆运动，辅助驾驶员平稳地完成制动；

44)紧急转向模式；当车辆前方遇到障碍物且车辆与障碍物的距离小于第二最小安全制动距离，此时危险预警单元提示驾驶员进行转向避障，线控转向系统提供转向助力；底盘数据库储存有当前工况下安全避障的理想前轮转角，线控驱动系统差速转向来实时补偿驾驶员操作车辆产生的前轮转角与理想前轮转角的误差；同时，线控制动系统输出横摆力矩实时补偿车辆紧急转向过程中的横摆运动，保证车辆紧急转向下的车辆稳定性，避免车辆发生侧翻；

进一步地，所述步骤41)和步骤42)低速工况下车速的范围为0-30km/h；中高速工况下车速的范围为大于30km/h；

进一步地，所述步骤43)中的两个最小安全制动距离可以表示为：

第一最小安全制动距离S₁：

第二最小安全制动距离S₂：

式中，v₀是车辆初始速度；t_r为驾驶员反应时间；t_b1是仅在线控制动系统作用下制动力增长的时间；t_b2是线控驱动系统共同作用下制动力增长的时间；a_max1是仅在线控制动系统作用下车辆的最大制动减速度；a_max2是仅在线控制动系统和线控驱动系统共同作用下车辆的最大制动减速度；

进一步地，所述步骤44)中当线控底盘处于紧急转向模式时，具体还包括一种考虑驾驶员特性的个性化避撞轨迹规划方法，具体步骤如下：

1)环境感知单元在车辆行驶过程中实时采集驾驶员的变道数据，得到当前驾驶员的一系列变道轨迹，并按照变道场景S_i(i＝1,2，3，…，N)将变道轨迹划分为轨迹簇T_i(i＝1,2，3，…，N)；并将轨迹簇T_i储存在底盘状态数据库中；

2)对轨迹簇T_i进行优化处理，得到轨迹簇T_i的回归曲线R_i，回归曲线R_i优化过程中的目标函数可以表示为：

Object:

其中，i表示第i组轨迹簇；j表示第j条变道轨迹；n表示第i组轨迹簇中的变道轨迹的数目；t表示变道时间；

3)回归曲线R_i用来表示当前驾驶员在变道场景S_i下的驾驶习惯；

4)为了使规划出的避撞轨迹更贴近驾驶员的驾驶习惯，即更加贴近回归曲线R_i，利用多项式轨迹规划方法优化得到一条考虑驾驶员特性的个性化避撞轨迹，其中回归曲线R_i作为轨迹规划过程中的一个约束项；

5)同时为了保证车辆避撞时的稳定性，多项式轨迹规划的目标函数可以表示为：

其中，w₁,w₂表示权重系数，a_y表示车辆的侧向加速度；x_d,y_d分别表示个性化避撞轨迹的纵向位置和横向位置；分别表示回归曲线R_i的纵向位置和横向位置；

多项式轨迹规划的物理约束可以表示为：

(R₀+R_L)²≤[x_d(t)-x₀-v_x(t-t₀)]²+[y_d(t)-y₀-v_y(t-t₀)]²

其中，R₀，R_L分别表示自车半径和障碍物半径；x₀，y₀分别表示障碍物的初始纵向位置和初始横向位置；v_x，v_y分别表示障碍物的纵向速度和横向速度；t₀表示变道初始时刻；

6)线控底盘系统中线控转向系统的线控驱动系统实时辅助驾驶员跟踪个性化避撞轨迹，以尽可能消除轨迹偏差；

7)考虑驾驶员特性的个性化避撞轨迹规划中具体包括一种驾驶员驾驶负担的评价方法，用以实时监测驾驶员的驾驶负担，评价驾驶员驾驶负担的评价指标可以表示为：

其中，k₁，k₂，k₃，k₄为权重系数；θ_sw表示为方向盘转角；y表示为驾驶员变道过程中车辆的横向位置；

进一步地，所述步骤44)中线控驱动系统差速转向来实时补偿驾驶员操作车辆产生的前轮转角与理想前轮转角的误差采用模糊PID控制，具体步骤如下：

1)车辆紧急转向过程中，底盘数据库储存有当前工况理想的车辆前轮转角底盘决策单元根据接收到的传感器信息估计出驾驶员当前操作下的实际车辆前轮转角δ_f；

2)以理想的前轮转角和实际的前轮转角δ_f的偏差e和偏差变化率e_c作为控制器的输入量；

3)偏差e和偏差变化率e_c经由模糊控制器的模糊推理，按照模糊规则输出调节量ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d，实施对PID控制器的参数K_p、K_i、K_d进行调整，使得PID控制参数对根据车辆的紧急转时的动态变化进行实时调整，调整之后的PID控制参数为：

其中，K_p0、K_i0、K_d0为PID控制器的初始参数；

4)循环上述控制，直至达到理想的前轮转角完成紧急转向操作。

本发明的有益效果：

本发明的多模式线控底盘系统取消了传统底盘系统的机械连接和耦合，不仅大大提高了底盘系统的响应速度，而且为研究多个子系统的协同控制提供了平台，同时具有多种工作模式，以适应复杂的工况，满足不同工况下的控制需求；

本发明的多模式线控底盘系统的控制方法实现了线控转向系统、线控制动系统和线控驱动系统三个子系统的协同控制；线控转向系统和线控驱动系统的协同控制保证了车辆低速行驶时的灵活性，高速行驶时的稳定性；线控制动系统、线控驱动系统以及线控转向系统的协同控制保证了车辆能够安全避障的前提下保证车辆不发生侧翻；子系统的协同控制丰富了线控底盘系统的工作模式，提升了底盘系统的可靠性，同时保证了行车安全性。

本发明的多模式线控底盘系统处于紧急转向模式时，可以根据驾驶员的驾驶习惯规划出一条考虑驾驶员特性的个性化避撞轨迹，进而辅助驾驶员跟踪避撞轨迹，降低了驾驶员驾驶负担，提升车辆的行车安全性。