本發(fā)明涉及交通控制系統(tǒng)中車(chē)輛控制，具體涉及一種重載車(chē)輛基于控制障礙函數(shù)的防側(cè)翻安全控制律設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

1、重載車(chē)輛因其卓越的運(yùn)輸和搬運(yùn)能力，廣泛應(yīng)用于貨運(yùn)物流、建筑工程、礦業(yè)開(kāi)采、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等多個(gè)領(lǐng)域。然而，這類(lèi)車(chē)輛獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，如較高的質(zhì)心、龐大的質(zhì)量與體積以及相對(duì)狹窄的輪距，使得它們?cè)谛旭傔^(guò)程中更容易發(fā)生側(cè)翻事故。尤其在急轉(zhuǎn)彎、斜坡行駛或遇到突發(fā)情況時(shí)，側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)顯著增加。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，防側(cè)翻控制技術(shù)的研究和發(fā)展日益成為關(guān)注的焦點(diǎn)。

2、現(xiàn)有車(chē)輛防側(cè)翻技術(shù)在近年取得了不少進(jìn)展，相關(guān)研究的出現(xiàn)進(jìn)一步推動(dòng)了這一領(lǐng)域的創(chuàng)新。這些研究主要集中在利用傳感器網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)融合算法和人工智能技術(shù)來(lái)增強(qiáng)車(chē)輛的穩(wěn)定性。例如，通過(guò)多傳感器融合技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車(chē)輛的車(chē)速、傾斜角度、載荷分布等各種動(dòng)態(tài)參數(shù)，提升系統(tǒng)對(duì)車(chē)輛狀態(tài)的感知和判斷能力；通過(guò)聚焦開(kāi)發(fā)基于機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能的預(yù)測(cè)模型，分析歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)駕駛信息，提前預(yù)測(cè)可能發(fā)生的側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)，并采取主動(dòng)干預(yù)措施；相關(guān)研究亦涉及車(chē)輛底盤(pán)主動(dòng)控制技術(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)懸架或制動(dòng)系統(tǒng)來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整車(chē)輛重心位置減少側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)。

3、與上述理論研究長(zhǎng)足發(fā)展相對(duì)，現(xiàn)有防側(cè)翻控制技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中面臨如下挑戰(zhàn)：

4、成本和復(fù)雜性：現(xiàn)有防側(cè)翻技術(shù)的實(shí)現(xiàn)對(duì)于大量傳感器和復(fù)雜計(jì)算系統(tǒng)的依賴(lài)，不僅增加了系統(tǒng)的成本，也使得維護(hù)和操作變得更加復(fù)雜，進(jìn)而限制了現(xiàn)有防側(cè)翻技術(shù)的普及和應(yīng)用；

5、實(shí)時(shí)性問(wèn)題：盡管現(xiàn)有技術(shù)通過(guò)傳感器和數(shù)據(jù)處理來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，但在高速行駛或動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境中，系統(tǒng)可能無(wú)法及時(shí)響應(yīng)所有突發(fā)情況，因而實(shí)時(shí)性不足可能導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法在關(guān)鍵時(shí)刻有效地防止側(cè)翻事故；

6、適應(yīng)性和魯棒性：現(xiàn)有防側(cè)翻控制技術(shù)在應(yīng)對(duì)不同的地形、氣候條件以及各種復(fù)雜路況和多變工況時(shí)，往往表現(xiàn)出一定的局限性，影響其防側(cè)翻控制的有效性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種重載車(chē)輛基于控制障礙函數(shù)的防側(cè)翻安全控制律設(shè)計(jì)方法，不依賴(lài)于大量的傳感器和復(fù)雜的計(jì)算算法，而是從整體控制邏輯和策略的優(yōu)化入手，力求以更少的資源達(dá)到更高效的控制效果，同時(shí)減少了對(duì)昂貴硬件的依賴(lài)，在成本與性能之間找到平衡。

2、為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種重載車(chē)輛基于控制障礙函數(shù)的防側(cè)翻安全控制律設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

3、步驟1)重載車(chē)輛三自由度數(shù)學(xué)建模：先進(jìn)行重載車(chē)輛橫向偏航子系統(tǒng)的二自由度數(shù)學(xué)建模以及橫滾子系統(tǒng)的單自由度數(shù)學(xué)建模，根據(jù)二自由度數(shù)學(xué)模型和單自由度數(shù)學(xué)模型進(jìn)行重載車(chē)輛的三自由度數(shù)學(xué)建模，得到重載車(chē)輛系統(tǒng)的三自由度狀態(tài)空間模型；

4、步驟2)基于傳統(tǒng)橫向載荷轉(zhuǎn)移率ltr的安全證書(shū)構(gòu)建：先對(duì)傳統(tǒng)橫向載荷轉(zhuǎn)移率ltr進(jìn)行轉(zhuǎn)化處理，采用三自由度狀態(tài)空間模型的狀態(tài)空間變量將傳統(tǒng)橫向載荷轉(zhuǎn)移率ltr重新描述為新的橫向載荷轉(zhuǎn)移率ltr，然后進(jìn)行側(cè)傾安全證書(shū)與障礙函數(shù)構(gòu)建；針對(duì)新的橫向載荷轉(zhuǎn)移率ltr構(gòu)造安全集合d，安全集合d作為檢驗(yàn)新側(cè)傾指標(biāo)ltr的安全證書(shū)，基于安全集合d構(gòu)建重載車(chē)輛的障礙函數(shù)，并利用障礙函數(shù)在安全集合d及其邊界上的特性作為判斷重載車(chē)輛側(cè)傾狀態(tài)以及防止側(cè)翻控制設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)；

5、步驟3)基于qp優(yōu)化求解的防側(cè)翻安全控制律設(shè)計(jì)：構(gòu)建實(shí)現(xiàn)重載車(chē)輛鎮(zhèn)定的控制lyapunov函數(shù)，得到系統(tǒng)全局指數(shù)鎮(zhèn)定控制律的可行集合；隨后構(gòu)建重載車(chē)輛安全的控制障礙函數(shù)，基于側(cè)傾安全證書(shū)與障礙函數(shù)，采用擴(kuò)展k類(lèi)函數(shù)并且施加約束條件將新的橫向載荷轉(zhuǎn)移率ltr約束在安全證書(shū)定義的集合d上，使得集合d為安全不變集，進(jìn)而得到重載車(chē)輛系統(tǒng)無(wú)側(cè)翻安全控制律的可行集；最后基于二次優(yōu)化qp求解得到重載車(chē)輛防側(cè)翻安全控制律。

6、進(jìn)一步的，步驟1)中，橫向子偏航子系統(tǒng)的二自由度數(shù)學(xué)建模的步驟如下：

7、基于牛頓第二定律，分析車(chē)輛所受橫向力之間的平衡關(guān)系構(gòu)建車(chē)輛重心處側(cè)偏角β的動(dòng)態(tài)方程其中σ＝cv+ch,ρ＝chlh-cvlv，cv,ch為前輪胎和后輪胎的剛性系數(shù)，lv與lh表示車(chē)輛重心與前輪軸之間以及車(chē)輛重心與后輪軸之間的距離，vx為車(chē)輛前向速度，δ為前輪轉(zhuǎn)向角；

8、基于角動(dòng)量守恒定理，得到輪胎所受橫向力作用下車(chē)身轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)方程：

9、其中，jzz為車(chē)身偏航旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為車(chē)身重心處轉(zhuǎn)向角速度；

10、構(gòu)建重載車(chē)輛橫向偏航子系統(tǒng)以重心處側(cè)偏角β與轉(zhuǎn)向角速度為狀態(tài)變量的狀態(tài)空間模型：

11、完成二自由度數(shù)學(xué)建模。

12、進(jìn)一步的，步驟1)中，橫滾子系統(tǒng)的單自由度數(shù)學(xué)建模的步驟如下：

13、基于平行軸動(dòng)量守恒定律構(gòu)建重載車(chē)輛橫滾動(dòng)力學(xué)方程：

14、

15、其中，jxeq＝j(luò)xx+mh2為車(chē)身橫滾旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，h為車(chē)輛負(fù)載橫滾運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)半徑，φ為車(chē)輛負(fù)載重心的橫滾角度，ay為車(chē)輛橫向運(yùn)動(dòng)的加速度；完成單自由度數(shù)學(xué)建模。

16、進(jìn)一步的，步驟1)中，聯(lián)立偏航子系統(tǒng)、橫向子系統(tǒng)與橫滾子系統(tǒng)，得到重載車(chē)輛如下三自由度狀態(tài)空間模型：

17、

18、進(jìn)一步的，步驟2)中，新的橫向載荷轉(zhuǎn)移率ltr為：

19、

20、進(jìn)一步的，步驟2中，安全集合d為：

21、d＝{ltr∈r|-croll＜ltr＜croll,croll∈[0,1]}；

22、障礙函數(shù)為：

23、h1(φ)＝croll-ltr；h2(φ)＝ltr+croll；

24、利用上述障礙函數(shù)hi(φ),i＝1,2在安全集合d及其邊界上的特性為：

25、

26、進(jìn)一步的，步驟3)中，基于三自由度狀態(tài)空間模型，構(gòu)建滿(mǎn)足laxv(x)+lbv(x)δ≤-c3||x||2的控制lyapunov函數(shù),給出閉環(huán)系統(tǒng)全局指數(shù)鎮(zhèn)定控制律的可行集合{δ∈r|laxv(x)+lbv(x)δ≤-c3||x||2}。

27、進(jìn)一步的，步驟3)中，控制障礙函數(shù)滿(mǎn)足如下條件：

28、并得到保證系統(tǒng)無(wú)側(cè)翻安全控制的可行集

29、本發(fā)明的有益效果：

30、本發(fā)明從控制設(shè)計(jì)思路出發(fā)來(lái)研究防側(cè)翻控制，提供了一種不同的、更具系統(tǒng)性和靈活性的解決方案。從先進(jìn)的控制理論入手，針對(duì)重載車(chē)輛的特性設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)潔、直接的控制策略，可以在降低系統(tǒng)復(fù)雜性的同時(shí)，確保系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和有效性。這種方法不依賴(lài)于大量的傳感器和復(fù)雜的計(jì)算算法，而是從整體控制邏輯和策略的優(yōu)化入手，力求以更少的資源達(dá)到更高效的控制效果，同時(shí)減少了對(duì)昂貴硬件的依賴(lài)，在成本與性能之間找到平衡。

31、與現(xiàn)有重載車(chē)輛防側(cè)翻控制技術(shù)相比，本發(fā)明利用橫向子系統(tǒng)、偏航子系統(tǒng)與橫滾子系統(tǒng)相互耦合形成三自由度狀態(tài)空間模型充分刻畫(huà)橫滾動(dòng)力學(xué)對(duì)重載車(chē)輛動(dòng)力學(xué)特性的影響，然后借助障礙函數(shù)將重載車(chē)輛的側(cè)翻控制問(wèn)題轉(zhuǎn)化為狀態(tài)約束下重載車(chē)輛的控制設(shè)計(jì)問(wèn)題；同時(shí)利用二次優(yōu)化框架實(shí)現(xiàn)防側(cè)翻控制律的自動(dòng)求解，避免傳統(tǒng)解析法控制律設(shè)計(jì)帶來(lái)的復(fù)雜與困難，所得防側(cè)翻控制律不僅可以實(shí)時(shí)保證重載車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中的無(wú)側(cè)翻安全性，而且對(duì)于現(xiàn)有標(biāo)稱(chēng)控制律最小修正的特點(diǎn)可以有效降低現(xiàn)有車(chē)輛控制系統(tǒng)更新?lián)Q代的硬件成本，為實(shí)際工程實(shí)現(xiàn)與實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)便利。