CN111301401B - 基于后轮转向的前驱车esp增强控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于后轮转向的前驱车ESP增强控制方法，包括直线行驶中的汽车如何进行左偏转避障的控制方法和右偏转避障的控制方法；利用本发明公开的控制方法进行避障的过程中，将Z轴与左后轮中心Q₁的距离作为力臂L_f或者将Z轴与右后轮中心Q₂的距离作为力臂L_r，使得力臂L_f或L_r在后轮力矩控制过程中始终保持最大值。在所需同等控制力矩时、有利于减小对后轮施加的制动力，特别有利于在湿滑或结冰的路面等地面附着系数较低的路面条件下发挥作用。在对后轮施加同等作用力的情况下，能够对Z轴产生更大的控制力矩，有利于汽车在躲避前方障碍物时、使车头迅速转向避免撞到障碍物。

Description

基于后轮转向的前驱车ESP增强控制方法

技术领域

本发明涉及汽车技术领域，具体涉及一种基于后轮转向的前驱车ESP增强控制方法。

背景技术

电子车身稳定系统(简称ESP)包含防抱死制动系统、牵引力控制系统和车辆行驶动态控制系统，该系统在汽车领域已经得到了广泛地应用，可用于提高汽车在不稳定行驶工况下的行车安全性。

以汽车前后方向为Y轴，汽车左右方向为X轴，以垂直于X轴、Y轴平面的方向为Z轴，以汽车的质心C为坐标原点，组成一个如图5-7所示的三维坐标系；对于前轮驱动的汽车，现有的ESP工作过程如图1-2所示，当汽车向左行驶躲避障碍物时，如图1所示，匀速直线行驶中的汽车状态如步骤G1所示，司机在发现前方突然出现的障碍物5时，会迅速向左猛打方向盘如步骤G2所示，此时前轮向左偏转，ESP介入并对左后轮施加制动力F₁，在力臂L₁的辅助下，该作用力将对Z轴产生一个逆时针力矩T₁，使车头迅速转向避免撞到障碍物，汽车处于如步骤G3所示的状态，其中力臂L₁是F₁的作用线与Z轴之间的距离。当司机发现成功避开障碍物时，向右打方向想控制汽车回到原来行驶车道上，此时车尾仍然有向左侧甩动的惯性并具有相对Z轴顺时针方向的惯性力矩W₁，该力矩会使汽车产生甩尾的风险，如步骤G4所示，此时ESP在左前轮上施加制动力F₂，在力臂L₂的辅助下，制动力F₂相对于Z轴产生逆时针的力矩T₂，力矩T₂与力矩W₁方向相反，阻止汽车发生甩尾，其中力臂L₂是F₂的作用线与Z轴之间的距离。当司机发现向右打方向的角度过大，汽车有可能偏离司机原有的预测行驶轨迹，司机即会向左打方向并再次修正方向盘角度，此时汽车处于如步骤G5所示状态，随着前轮朝向的改变，F₂相对于Z轴的力臂L₂会逐渐减小，甚至当F₂的作用线与Z轴相交时，力臂L₂会变为零，于是力矩T₂也会变成零，因此从步骤G4到步骤G5的过程中，即司机在修正方向盘转角的过程中，力矩T₂是个逐渐减小的变量，对于克服惯性力矩W₁引起的甩尾风险非常不利。最终，在司机多次修正方向盘后，汽车再次回到直线行驶的状态，进入如步骤G6所示状态。

图2为汽车向右行驶躲避障碍物时的示意图，匀速直线行驶中的汽车状态如步骤H1所示，司机在发现前方突然出现的障碍物时，会迅速向右猛打方向盘进入如步骤H2所示状态，此时前轮向右偏转，ESP介入并对右后轮施加制动力F₃，在力臂L₃的辅助下，该作用力将对Z轴产生一个顺时针力矩T₃，使车头迅速转向避免撞到障碍物，此时汽车处于如步骤H3所示的状态，其中力臂L₃是F₃的作用线与Z轴之间的距离。当司机发现成功避开障碍物后，即向左打方向想控制汽车回到原来的直线行驶轨迹上，此时车尾仍然有向右侧甩动的惯性并具有相对Z轴逆时针方向的惯性力矩W₂，该力矩会使汽车产生甩尾的风险，如步骤H4所示，此时ESP在右前轮上施加制动力F₄，在力臂L₄的辅助下，制动力F₄相对于Z轴产生顺时针的力矩T₄，力矩T₄与力矩W₂方向相反，阻止汽车发生甩尾，其中力臂L₄是F₄的作用线与Z轴之间的距离。当司机发现向左打方向的角度过大，汽车有可能偏离司机原有的预测行驶轨迹时，司机向右打方向并再次修正方向盘角度，汽车进入如步骤H5所示状态，此时随着前轮朝向的改变，F₄相对于Z轴的力臂L₄会逐渐减小，甚至当F₄的作用线与Z轴相交时，力臂L₄会变为零，于是力矩T₄也会变成零，因此从步骤H4到步骤H5的过程中，司机在修正方向盘转角的过程中，力矩T₄是个逐渐减小的变量，对于克服惯性力矩W₂引起的甩尾风险非常不利。最终，在司机多次修正方向盘后，汽车回到直线行驶的状态，进入如步骤H6所示的状态。

根据现有技术中ESP的工作特性，在ESP对车轮施加制动力矩时，会在相应车轮中心产生一个阻止汽车向前移动的制动力。

上述两个过程是基于现有ESP的工作原理进行的，是通过在转向时的内侧后轮和外侧前轮上施加制动力来产生控制力矩，从而即时修正汽车的运动轨迹，使汽车安全行驶。然而，该过程中存在一些问题：

1、当ESP对转向时的内侧后轮施加制动力时，由于力臂L₁或L₃的长度较小，为了提供足够的力矩T₁或T₃，只能增大对内侧后轮的制动力F₁或F₃的数值，然而制动力F₁或F₃属于地面制动力，该制动力与地面附着系数成正比，如果在湿滑或结冰的路面上行驶，地面附着系数相比干燥路面低，制动力F₁或F₃会相应地降低，可能不足以提供足够的力矩T₁或T₃，也就无法使车头迅速转向，汽车将会撞到障碍物；因此，如果能够增大力臂L₁或L₃的长度，在相同路面条件下，则能提供更大的力矩T₁或T₃，尽可能避免汽车撞到障碍物。

2、当ESP对转向时的外侧前轮施加制动力时，由于前轮是转向轮，司机在避让障碍过程中，由于事发突然，难免会出现单次打方向时方向盘转动角度过大的情况，因而需要多次修正方向盘的角度来使汽车按司机预期的轨迹行驶。因此，根据上述的现有ESP的工作原理，力臂L₁或L₄的长度是个剧烈变化的变量，特别是当F₂或F₄的作用线与Z轴相交时，力臂L₁或L₄将变为零，相应的力矩T₂或T₄也将是个剧烈变化的变量，甚至也会变为零。因而，在外侧前轮上施加制动力来产生相应的力矩会带来很多不确定性，为了产生足够的力矩T₂或T₄，ESP需要不断地大幅度修正F₂或F₄的数值，这给ESP的控制过程带来很大的难度，同时在如上所述的湿滑或结冰的路面上行驶时，F₂或F₄的数值也将相应地减小，再考虑到当F₂或F₄的作用线与Z轴相交这种特殊情况，ESP在对外侧前轮施加制动力进行力矩控制的过程存在较多的变数，控制过程不精确，甚至会出现在特殊情况下无法实现控制的局面。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提出一种基于后轮转向的前驱车ESP增强控制方法，在避让障碍物时通过ESP对选定的后轮施加制动力，增大力臂L₁或L₃的长度；从步骤S4或K4开始的恢复直线行驶轨迹过程中，对转向时选定的后轮施加制动力，从而增加力矩控制的确定性，提高力矩控制的精确性。

为了实现上述技术目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：本发明提供一种基于后轮转向的前驱车ESP增强控制方法，包括直线行驶中的汽车进行左偏转避障的控制方法和直线行驶中的汽车进行右偏转避障的控制方法；

其中，直线行驶中的汽车进行左偏转避障的控制方法的具体控制步骤为：

步骤S1：汽车照常直线行驶；

步骤S2：当发现前方突然出现障碍物需向左偏转避让时，首先迅速向左猛打方向盘使前轮向左偏转，同时后轮也向左偏转角度θ，此时Z轴与Q₁的垂直连线垂直于施加在左后轮中心的制动力的作用线；

步骤S3：ESP介入并在左后轮中心施加制动力F₁₁，此时以Z轴与Q₁的距离作为力臂L_f，制动力F₁₁对Z轴产生一个逆时针力矩T₁₁，使车头迅速转向避免撞到障碍物；

步骤S4：成功避开障碍物后，向右打方向以控制汽车回复到原来的直线行驶轨迹上，此时车尾仍然有向左侧甩动的惯性并具有相对Z轴顺时针方向的惯性力矩W₁，此时后轮向左偏转角度是θ，保持Z轴与Q₁的垂直连线垂直于施加在左后轮中心的制动力的作用线，ESP在左后轮中心施加制动力F₁₃，仍以Z轴与Q₁的距离作为力臂L_f，制动力F₁₃相对于Z轴产生逆时针的力矩T₁₃，力矩T₁₃与力矩W₁方向相反，阻止汽车发生甩尾；

步骤S5：如步骤S4中司机向右打方向的角度过大，则司机向左打方向并再次修正方向盘角度，此时惯性力矩W₁逐渐减小，随着前轮朝向的改变，后轮向左偏转的角度是θ，保持Z轴与Q₁的垂直连线垂直于施加在左后轮中心的制动力的作用线，此时ESP在左后轮中心施加制动力F₁₄，仍以Z轴与Q₁的距离作为力臂L_f，制动力F₁₄相对于Z轴产生逆时针的力矩T₁₄，力矩T₁₄与力矩W₁方向相反以克服惯性力矩W₁引起的甩尾风险；

步骤S6：司机多次修正方向盘，直至汽车回到最初的直线行驶状态；

其中，直线行驶中的汽车进行右偏转避障的控制方法的具体控制步骤为：

步骤K1：汽车照常直线行驶；

步骤K2：发现前方突然出现的障碍物需向右偏转避让时，首先迅速向右猛打方向盘使前轮向右偏转，同时后轮也向右偏转角度β，此时Z轴与Q₂的垂直连线垂直于施加在右后轮中心的制动力的作用线；

步骤K3：ESP介入并在右后轮中心施加制动力F₂₁，此时以Z轴与Q₂的距离作为力臂L_r，制动力F₂₁将对Z轴产生一个顺时针力矩T₂₁，使车头迅速转向避免撞到障碍物；

步骤K4：成功避开障碍物后，向左打方向以控制汽车回复到最初的直线行驶轨迹上，此时车尾仍然有向右侧甩动的惯性并具有相对Z轴逆时针方向的惯性力矩W₂，此时后轮向右偏转角度是β，保持Z轴与Q₂的垂直连线垂直于施加在右后轮中心的制动力的作用线，ESP在右后轮中心施加制动力F₂₃，此时仍以Z轴与Q₂的距离作为力臂L_r，制动力F₂₃相对于Z轴产生顺时针的力矩T₂₃，力矩T₂₃与力矩W₂方向相反，阻止汽车发生甩尾；

步骤K5：如步骤K4中司机向左打方向的角度过大，则司机向右打方向并再次修正方向盘角度，此时惯性力矩W₂逐渐减小，随着前轮朝向的改变，后轮向右偏转的角度仍是β，保持Z轴与Q₂的垂直连线垂直于施加在右后轮中心的制动力的作用线，此时ESP在右后轮中心施加制动力F₂₄，仍以Z轴与Q₂的距离作为力臂L_r，制动力F₂₄相对于Z轴产生顺时针的力矩T₂₄，力矩T₂₄与力矩W₂方向相反以克服惯性力矩W₂引起的甩尾风险；

步骤K6：司机多次修正方向盘，直至汽车回到最初的直线行驶状态。

本发明的有益效果为：

利用本发明公开的前驱车ESP增强控制方法控制行驶中汽车进行避障的过程中，将Z轴与左后轮中心Q₁的距离作为力臂L_f或者将Z轴与右后轮中心Q₂的距离作为力臂L_r，使得力臂L_f或L_r在后轮力矩控制过程中始终保持最大值。在所需同等控制力矩时、有利于减小对后轮施加的制动力，特别有利于在湿滑或结冰的路面等地面附着系数较低的路面条件下发挥作用。在对后轮施加同等作用力的情况下，能够对Z轴产生更大的控制力矩，有利于汽车在躲避前方障碍物时、使车头迅速转向避免撞到障碍物，或者在避开障碍物后、回到原来行驶车道的过程中，便于汽车更迅速的摆脱不稳定的行驶状态。

附图说明

图1为现有技术中的ESP在汽车向左躲避障碍物时的控制过程示意图；

图2为现有技术中的ESP在汽车向右躲避障碍物时的控制过程示意图；

图3为实施例一中ESP工作时汽车向左躲避障碍物时的示意图；

图4为实施例二中ESP工作时汽车向右躲避障碍物时的示意图；

图5为前轮驱动汽车的两侧后轮向左偏转时，左后轮的偏转角与力臂示意图；

图6为前轮驱动汽车的两侧后轮向右偏转时，右后轮的偏转角与力臂示意图；

图7为针对前轮驱动汽车建立的三维坐标系示意图。

其中，1-左前轮，2-右前轮，3-左后轮，4-右后轮，5-障碍物。

具体实施方式

以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。

现有技术中的具备后轮转向功能的前轮驱动汽车，其两侧后轮为非驱动轮并且能够在设定的角度范围内偏转，如图5所示，Q₁和Q₂分别为左、右后轮的车轮中心，也是左、右后轮偏转的中心，当两后轮向左侧偏转时，以Z轴与Q₁之间的距离作为ESP对左后轮3制动力控制时的力臂L_f，此时，Z轴与Q₁的垂直连线垂直于施加在左后轮3中心的驱动力或制动力的作用线，左后轮3相对于未偏转时的初始位置转过的角度是θ。当汽车发生侧倾等姿态改变时，角度θ是变量。如图6所示，当两后轮向右侧偏转时，以Z轴与Q₂之间的距离作为ESP对右后轮4制动力控制时的力臂Lr，此时，Z轴与Q₂的垂直连线垂直于施加在右后轮4中心的驱动力或制动力的作用线，右后轮4相对于未偏转时的初始位置转过的角度是β。当汽车发生侧倾等姿态改变时，角度β是变量。

实施例一、向左偏转避障的具体控制过程

当汽车向左行驶躲避障碍物时，如图3所示，直线行驶中的汽车状态如步骤S1所示；司机在发现前方突然出现的障碍物时，会迅速向左猛打方向盘如步骤S2所示，此时前轮向左偏转，同时后轮也向左偏转角度θ，此时Z轴与Q₁的垂直连线垂直于施加在左后轮3中心的制动力的作用线，ESP介入并在左后轮3中心施加制动力F₁₁，此时以Z轴与Q₁的距离作为力臂L_f，制动力F₁₁将对Z轴产生一个逆时针力矩T₁₁，使车头迅速转向避免撞到障碍物，汽车处于如步骤S3所示的状态。

当司机发现成功避开障碍物时，向右打方向想控制汽车回到原来行驶车道上，此时车尾仍然有向左侧甩动的惯性并具有相对Z轴顺时针方向的惯性力矩W₁，该力矩会使汽车产生甩尾的风险，如步骤S4所示，此时后轮向左偏转角度仍是θ，保持Z轴与Q₁的垂直连线垂直于施加在左后轮3中心的制动力的作用线，ESP在左后轮中心施加制动力F₁₃，仍以Z轴与Q₁的距离作为力臂L_f，制动力F₁₃相对于Z轴产生逆时针的力矩T₁₃，力矩T₁₃与力矩W₁方向相反，阻止汽车发生甩尾；司机发现向右打方向的角度过大、汽车有可能偏离司机原有的预测行驶轨迹时，司机向左打方向并再次修正方向盘角度，如步骤S5所示，此时惯性力矩W₁逐渐减小，随着前轮朝向的改变，后轮向左偏转的角度仍是θ，保持Z轴与Q₁的垂直连线垂直于施加在左后轮3中心的制动力的作用线，此时ESP在左后轮3中心施加制动力F₁₄，仍以Z轴与Q₁的距离作为力臂L_f，制动力F₁₄相对于Z轴产生逆时针的力矩T₁₄，力矩T₁₄与力矩W₁方向相反，从步骤S4到步骤S5，无论司机如何修正方向盘的角度及前轮的偏转角度，由于ESP持续对左后轮3进行制动，所以能够持续地产生控制力矩，有利于持续地克服惯性力矩W₁引起的甩尾风险。司机多次修正方向盘，直至汽车回到如步骤S6所示的直线行驶的状态。

实施例二、向右偏转避障的具体控制过程

当汽车向右行驶躲避障碍物时，如图4所示，直线行驶中的汽车状态如步骤K1所示；司机在发现前方突然出现的障碍物时，会迅速向右猛打方向盘如步骤K2所示，此时前轮向右偏转，同时后轮也向右偏转角度β，此时Z轴与Q₂的垂直连线垂直于施加在右后轮4中心的制动力的作用线，ESP介入并在右后轮4中心施加制动力F₂₁，此时以Z轴与Q₂的距离作为力臂L_r，制动力F₂₁将对Z轴产生一个顺时针力矩T₂₁，使车头迅速转向避免撞到障碍物，汽车处于如步骤K3所示的状态。

当司机发现成功避开障碍物时，向左打方向想控制汽车回到原来的行驶车道上，此时车尾仍然有向右侧甩动的惯性并具有相对Z轴逆时针方向的惯性力矩W₂，该力矩会使汽车产生甩尾的风险，如步骤K4所示，此时后轮向右偏转角度仍是β，保持Z轴与Q₂的垂直连线垂直于施加在右后轮4中心的制动力的作用线，ESP在右后轮4中心施加制动力F₂₃，此时仍以Z轴与Q₂的距离作为力臂L_r，制动力F₂₃相对于Z轴产生顺时针的力矩T₂₃，力矩T₂₃与力矩W₂方向相反，阻止汽车发生甩尾。司机发现向左打方向的角度过大、汽车有可能偏离司机原有的预测行驶轨迹时，司机向右打方向并再次修正方向盘角度，如步骤K5所示，此时惯性力矩W₂逐渐减小，随着前轮朝向的改变，后轮向右偏转的角度仍是β，保持Z轴与Q₂的垂直连线垂直于施加在右后轮4中心的制动力的作用线，此时ESP在右后轮4中心施加制动力F₂₄，仍以Z轴与Q₂的距离作为力臂L_r，制动力F₂₄相对于Z轴产生顺时针的力矩T₂₄，力矩T₂₄与力矩W₂方向相反，从步骤K4到步骤K5，无论司机如何修正方向盘的角度及前轮的偏转角度，由于ESP持续对右后轮4进行制动，所以能够持续地产生控制力矩，有利于持续地克服惯性力矩W₂引起的甩尾风险。司机多次修正方向盘，直至汽车回到如步骤K6所示的直线行驶的状态。

作为一种优选，上述两侧后轮相对于地面的倾角是可调的，当汽车发生侧倾等姿态改变时，施加制动力的后轮的倾角可以跟随Z轴方位的变化而相应调节，从而使Z轴与该后轮中心的垂直连线更快地调整至垂直于施加的制动力作用线。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。但是以上所述仅为本发明的具体实施例，本发明的技术特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在不脱离本发明的技术方案下得出的其他实施方式均应涵盖在本发明的专利范围之中。

Claims (1)

1.一种基于后轮转向的前驱车ESP增强控制方法，其特征在于，包括直线行驶中的汽车进行左偏转避障的控制方法和直线行驶中的汽车进行右偏转避障的控制方法；

1)直线行驶中的汽车进行左偏转避障的控制方法的具体控制步骤为：

步骤S1：汽车照常直线行驶；

步骤S2：当发现前方突然出现障碍物需向左偏转避让时，首先迅速向左猛打方向盘使前轮向左偏转，同时后轮也向左偏转角度θ，此时Z轴与左后轮中心Q₁的垂直连线垂直于施加在左后轮中心的制动力的作用线；

步骤S3：ESP介入并在左后轮中心施加制动力F₁₁，此时以Z轴与Q₁的距离作为力臂L_f，制动力F₁₁对Z轴产生一个逆时针力矩T₁₁，使车头迅速转向避免撞到障碍物；

步骤S4：成功避开障碍物后，向右打方向以控制汽车回复到原来的直线行驶轨迹上，此时车尾仍然有向左侧甩动的惯性并具有相对Z轴顺时针方向的惯性力矩W₁，此时后轮向左偏转角度是θ，保持Z轴与Q₁的垂直连线垂直于施加在左后轮中心的制动力的作用线，ESP在左后轮中心施加制动力F₁₃，仍以Z轴与Q₁的距离作为力臂L_f，制动力F₁₃相对于Z轴产生逆时针的力矩T₁₃，力矩T₁₃与力矩W₁方向相反，阻止汽车发生甩尾；

步骤S5：如步骤S4中司机向右打方向的角度过大，则司机向左打方向并再次修正方向盘角度，此时惯性力矩W₁逐渐减小，随着前轮朝向的改变，后轮向左偏转的角度是θ，保持Z轴与Q₁的垂直连线垂直于施加在左后轮中心的制动力的作用线，此时ESP在左后轮中心施加制动力F₁₄，仍以Z轴与Q₁的距离作为力臂L_f，制动力F₁₄相对于Z轴产生逆时针的力矩T₁₄，力矩T₁₄与力矩W₁方向相反以克服惯性力矩W₁引起的甩尾风险；

步骤S6：司机多次修正方向盘，直至汽车回到最初的直线行驶状态；

2)直线行驶中的汽车进行右偏转避障的控制方法的具体控制步骤为：

步骤K1：汽车照常直线行驶；

步骤K2：发现前方突然出现的障碍物需向右偏转避让时，首先迅速向右猛打方向盘使前轮向右偏转，同时后轮也向右偏转角度β，此时Z轴与右后轮中心Q₂的垂直连线垂直于施加在右后轮中心的制动力的作用线；

步骤K3：ESP介入并在右后轮中心施加制动力F₂₁，此时以Z轴与Q₂的距离作为力臂L_r，制动力F₂₁将对Z轴产生一个顺时针力矩T₂₁，使车头迅速转向避免撞到障碍物；

步骤K4：成功避开障碍物后，向左打方向以控制汽车回复到最初的直线行驶轨迹上，此时车尾仍然有向右侧甩动的惯性并具有相对Z轴逆时针方向的惯性力矩W₂，此时后轮向右偏转角度是β，保持Z轴与Q₂的垂直连线垂直于施加在右后轮中心的制动力的作用线，ESP在右后轮中心施加制动力F₂₃，此时仍以Z轴与Q₂的距离作为力臂L_r，制动力F₂₃相对于Z轴产生顺时针的力矩T₂₃，力矩T₂₃与力矩W₂方向相反，阻止汽车发生甩尾；

步骤K5：如步骤K4中司机向左打方向的角度过大，则司机向右打方向并再次修正方向盘角度，此时惯性力矩W₂逐渐减小，随着前轮朝向的改变，后轮向右偏转的角度仍是β，保持Z轴与Q₂的垂直连线垂直于施加在右后轮中心的制动力的作用线，此时ESP在右后轮中心施加制动力F₂₄，仍以Z轴与Q₂的距离作为力臂L_r，制动力F₂₄相对于Z轴产生顺时针的力矩T₂₄，力矩T₂₄与力矩W₂方向相反以克服惯性力矩W₂引起的甩尾风险；

步骤K6：司机多次修正方向盘，直至汽车回到最初的直线行驶状态。

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