轮胎力直接控制方法、装置、设备及存储介质

技术领域

本发明涉及控制技术领域，更具体地说，涉及一种轮胎力直接控制方法、装置、设备及存储介质。

背景技术

自动驾驶近年来发展日趋加速，实用化水平逐步提高，受到社会各方的关注和大力投入。就其功能模块而言，自动驾驶包括环境感知、自主决策和运动控制三大关键技术。运动控制是与车辆动力学交互的底层模块，用于将上层模块的驾驶意图转化为控制量，直接决定车辆的运动状态。

在车辆运动控制领域，轮胎力直接控制方法是对车辆进行运动控制的一个重要方面，轮胎力直接控制方法要求对应每一个车轮，给定目标纵向力和侧向力，基于轮胎的纵滑刚度、侧偏刚度、地面附着系数和垂向载荷计算得到能够使轮胎产生该目标纵向力和侧向力的侧偏角与滑移率。

目前的轮胎力直接控制方法只能在轮胎纯侧向滑移或纯纵向滑移时准确计算得到轮胎侧偏角与滑移率，在轮胎处于联合滑移工况(即轮胎相对地面的滑动速度在轮胎坐标系的横轴与纵轴上都有分量)时，轮胎侧偏角与滑移率的计算精度较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种轮胎力直接控制方法、装置、设备及存储介质，以提高轮胎力直接控制精度。包括如下技术方案：

一种轮胎力直接控制方法，包括：

获得车辆的目标轮胎对应的目标纵向力和目标侧向力，以及所述目标轮胎的纵滑刚度、侧偏刚度、地面附着系数和垂向载荷；

根据所述目标纵向力和所述目标侧向力，对所述纵滑刚度和所述侧偏刚度进行融合，获得所述目标轮胎的联合刚度；

对所述目标纵向力和所述目标侧向力、所述联合刚度、所述地面附着系数和所述垂向载荷进行处理，得到所述目标轮胎的目标侧偏角和目标滑移率。

上述方法，可选的，所述根据所述目标纵向力和所述目标侧向力，对所述纵滑刚度和所述侧偏刚度进行融合，包括：

根据所述目标纵向力和所述目标侧向力，计算所述纵滑刚度的第一权重和所述侧偏刚度的第二权重；

基于所述第一权重和所述第二权重，将所述纵滑刚度和所述侧偏刚度加权求和，得到所述目标轮胎的联合刚度。

上述方法，可选的，所述第一权重基于第一模型得到，所述第二权重基于第二模型得到；其中，

所述第一模型为：

所述第二模型为：

其中，w

上述方法，可选的，所述对所述目标纵向力和所述目标侧向力、所述联合刚度、所述地面附着系数和所述垂向载荷进行处理，包括：

根据所述目标纵向力和所述目标侧向力、所述联合刚度、所述地面附着系数和所述垂向载荷，获得所述目标轮胎的目标纵向滑移率和目标侧向滑移率；

基于所述目标轮胎的目标纵向滑移率和目标侧向滑移率，获取所述目标轮胎的目标侧偏角和目标滑移率。

上述方法，可选的，所述目标纵向滑移率基于第三模型得到，所述目标侧向滑移率基于第四模型得到；其中，

所述第三模型为：

所述第四模型为：

其中，σ

上述方法，可选的，所述第三模型和所述第四模型基于对相似法-各向异性刷子轮胎模型求逆得到；所述相似法-各向异性刷子轮胎模型为：

其中，F为轮胎力矢量F＝[F

上述方法，可选的，基于对所述相似法-各向异性刷子轮胎模型求逆得到所述第三模型和所述第四模型的过程，包括：

对所述相似法-各向异性刷子轮胎模型求逆，得到求逆结果:

基于

一种轮胎力直接控制装置，包括：

获得模块，用于获得车辆的目标轮胎对应的目标纵向力和目标侧向力，以及所述目标轮胎的纵滑刚度、侧偏刚度、地面附着系数和垂向载荷；

融合模块，用于根据所述目标纵向力和所述目标侧向力，对所述纵滑刚度和所述侧偏刚度进行融合，获得所述目标轮胎的联合刚度；

处理模块，用于对所述目标纵向力和所述目标侧向力、所述联合刚度、所述地面附着系数和所述垂向载荷进行处理，得到所述目标轮胎的目标侧偏角和目标滑移率。

一种电子设备，包括：

存储器，用于存储程序；

处理器，用于调用并执行所述存储器中的所述程序，通过执行所述程序实现如上任一项所述的轮胎力直接控制方法的各个步骤。

一种可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如上任一项所述的轮胎力直接控制方法的各个步骤。

通过以上方案可知，本发明提供的一种轮胎力直接控制方法、装置、设备及存储介质，在获得车辆的目标轮胎对应的目标纵向力和目标侧向力，以及所述目标轮胎的纵滑刚度、侧偏刚度、地面附着系数和垂向载荷后，根据目标纵向力和目标侧向力，对纵滑刚度和侧偏刚度进行融合，获得目标轮胎的联合刚度；对目标纵向力和目标侧向力、联合刚度、地面附着系数和垂向载荷进行处理，得到目标轮胎的目标侧偏角和目标滑移率。本发明实施例通过基于目标纵向力和目标侧向力将纵滑刚度和侧偏刚度进行融合，得到联合刚度，进而基于联合刚度计算目标轮胎的目标侧偏角和目标滑移率，使得在轮胎处于联合滑移工况时，也能得到准确的轮胎侧偏角和滑移率，提高了轮胎力直接控制精度。

附图说明

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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的轮胎力直接控制方法的一种实现流程图；

图2为本发明实施例提供的根据目标纵向力和目标侧向力，对纵滑刚度和侧偏刚度进行融合的一种实现流程图；

图3为本发明实施例提供的对目标纵向力和目标侧向力、联合刚度、地面附着系数和垂向载荷进行处理的一种实现流程图；

图4a为本发明实施例提供的基于改进的相似法-各向异性刷子轮胎模型实现的轮胎力直接控制方法的一种效果示例；

图4b为本发明实施例提供的采用现有的轮胎力直接控制方法的一种效果示例；

图5为本发明实施例提供的轮胎力直接控制装置的一种结构示意图；

图6为本发明实施例提供的电子设备的硬件结构框图。

说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的部分，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示的以外的顺序实施。

具体实施方式

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付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。

自动驾驶包括环境感知、自主决策和运动控制三大关键技术。相比于环境感知与自主决策模块，运动控制易于给出明确的数学描述，从自动控制理论出发，一些类似“比例-积分-微分控制器”的基于误差的线性控制律在20世纪80年代就已在实际车辆中得到应用。

但是，自动驾驶对运动控制的性能要求比较高，只有在控制层面上保证了对各种工况的普遍适应能力、跟踪精度等性能指标，才能够在保证安全性和舒适性的前提下，以更短的用时通过期望路径，实现自动驾驶汽车整体性能的提升。

而采用基于误差的线性控制律存在一些固有问题，其性能与选取的参数高度相关，由于车辆本身存在固有的非线性特性，因此同一套参数难以同时适应低速与高速、普通转向与紧急避障等不同工况的需求。上述问题沿用基于误差的线性控制律是难以完全克服的，需要从算法方面做出改进，其中，反馈线性化这一非线性控制方法常被研究人员选作下一代运动控制器中的控制算法。而将反馈线性化这一非线性控制方法应用在车辆运动控制领域时，要求能够直接控制车辆轮胎与地面间产生的力的大小与方向，称为轮胎力直接控制，具体的，对应每一个轮胎，给定目标纵向力和侧向力(可以简记为目标轮胎力)，轮胎力直接控制算法计算得到能够使轮胎产生该目标轮胎力的侧偏角与滑移率。之后，可以将侧偏角和滑移率发送给执行器，由执行器实现该侧偏角和滑移率，实现对轮胎的控制。

简言之，由目标轮胎力计算得到目标轮胎侧偏角与滑移率的算法，即为轮胎力直接控制算法。

现有的轮胎力直接控制方法多基于对轮胎模型求逆实现，轮胎模型为形如公式(1)的模型。

F＝f(α，κ)(1)

其中，α为轮胎侧偏角，κ为轮胎滑移率，F＝[F

显然，轮胎模型的输入是轮胎的侧偏角和滑移率，输出是轮胎纵向力和侧向力。而轮胎力直接控制方法以轮胎的目标纵向力和侧向力为输入，以轮胎的侧偏角和滑移率为输出，与轮胎模型的输入输出正好相反，因此，对轮胎模型求逆得到f

当前已存在有若干种轮胎模型，其中，基于简化的物理建模推导得到的刷子轮胎模型(可以简称为刷子模型)，形式简洁，能够捕捉轮胎力随着滑动速度的增加将逐渐饱和这一基本趋势。这种基于简单的物理建模得到的轮胎模型，在提供对于轮胎与路面间作用机理的理解的同时，其逆模型幸运地存在解析解，这使其非常适合用于轮胎力直接控制之中。但是，为了保证最终得到的表达式的简洁性，标准的刷子模型假设轮胎在横向与纵向上的行为是一致的，即具有各向同性。然而，由于胎面花纹的存在，以及轮胎内部的非对称结构，使得实际的轮胎通常表现出极强的各向异性。因此，标准的刷子模型从定量的角度来看，精确度很低。

为了适配轮胎的各向异性，有研究人员提出了刷子模型的变种，能够描述轮胎的各向异性特性。如公式(2)-(7)所示，为本发明实施例提供的一种相似法-各向异性刷子轮胎模型，其为一种半经验轮胎模型，相较于传统的用于轮胎力直接控制中的各向同性刷子模型具有更高的精度。

其中，σ

C

轮胎的纵滑刚度和侧偏刚度属于轮胎的固有属性，地面附着系数和垂向载荷是车辆实际行驶过程中基于感应参数(由传感器采集得到)计算得到的轮胎的属性。

然而，上述轮胎模型也只能在纯侧向滑移与纯纵向滑移时较准确的描述轮胎的特性，在轮胎处于联合滑移工况时，即轮胎相对地面的滑动速度在轮胎坐标系的横轴与纵轴上都有分量时，精度较低，导致基于对上述轮胎模型求逆得到的轮胎力直接控制的精度较低。

为了提高轮胎力直接控制的精度，本发明实施例提出一种改进的相似法-各向异性刷子轮胎模型，该改进的相似法-各向异性刷子轮胎模型基于联合刚度(即将纵滑刚度和侧偏刚度融合的结果)计算轮胎力的大小，基于对该改进的相似法-各向异性刷子轮胎模型求逆进行轮胎力直接控制。

如公式(8)-(10)所示，为本发明实施例提供的改进的相似法-各向异性刷子轮胎模型的示例：

其中，F为轮胎力矢量F＝[F

对公式(8)-(10)所示的轮胎模型求反函数，得到求逆结果：

本发明研究发现，

因为

基于上述轮胎力直接控制模型，本发明实施例提供的轮胎力直接控制方法的一种实现流程图如图1所示，可以包括：

步骤S101：获得车辆的目标轮胎对应的目标纵向力和目标侧向力，以及目标轮胎的纵滑刚度、侧偏刚度、地面附着系数和垂向载荷。

其中，目标轮胎可以是车辆的任意待控制的轮胎。目标纵向力和目标侧向力是由运动控制模块确定的目标轮胎的期望纵向力和期望侧向力，即希望目标轮胎达到的纵向力和侧向力。目标轮胎的纵滑刚度、侧偏刚度、地面附着系数和垂向载荷这四个参数的获取方式可以参看已有的方案，这里不再详述。

步骤S102：根据目标纵向力和目标侧向力，对纵滑刚度和侧偏刚度进行融合，获得目标轮胎的联合刚度。

本发明实施例中，为了提升轮胎力直接控制精度，将纵滑刚度和侧偏刚度融合，且融合的时候考虑了目标纵向力和目标侧向力，使得联合刚度融合了目标纵向力和目标侧向力的影响。

步骤S103：对目标纵向力和目标侧向力、联合刚度、地面附着系数和垂向载荷进行处理，得到目标轮胎的目标侧偏角和目标滑移率。

与现有技术中直接利用纵滑刚度和侧偏刚度计算目标侧偏角和目标滑移率相比，通过基于目标纵向力和目标侧向力将纵滑刚度和侧偏刚度进行融合，得到联合刚度，进而基于联合刚度计算目标侧偏角和目标滑移率，使得在轮胎处于联合滑移工况时，也能得到准确的轮胎侧偏角和滑移率，提高了目标侧偏角和目标滑移率的精度。

在一可选的实施例中，上述根据目标纵向力和目标侧向力，对纵滑刚度和侧偏刚度进行融合的一种实现流程图如图2所示，可以包括：

步骤S201：根据目标纵向力和目标侧向力，计算纵滑刚度的第一权重和侧偏刚度的第二权重。

作为示例，第一权重和第二权重的和为1。

步骤S202：基于第一权重和第二权重，将目标纵滑刚度和目标侧偏刚度加权求和，得到目标轮胎的联合刚度。

假设第一权重为w

C

在一可选的实施例中，可以根据轮胎纵向力和轮胎侧向力计算得到轮胎力的方向，基于计算得到的轮胎力的方向分别计算第一权重和第二权重。

可选的，上述第一权重基于第一模型得到，第二权重基于第二模型得到；其中，

第一模型为：

第二模型为：

其中，F

基于此，

表示目标轮胎力(由目标纵向力和目标侧向力构成)的方向，因此，本申请是根据目标纵向力和目标侧向力计算得到目标轮胎力的方向，利用计算得到的目标轮胎力的方向对目标轮胎的纵滑刚度和侧偏刚度进行融合，得到目标轮胎在目标轮胎力方向上的联合刚度C

在一可选的实施例中，上述对目标纵向力和目标侧向力、联合刚度、地面附着系数和垂向载荷进行处理的一种实现流程图如图3所示，可以包括：

步骤S301：根据目标纵向力和目标侧向力、联合刚度、地面附着系数和垂向载荷，获得目标轮胎的目标纵向滑移率和目标侧向滑移率。

作为示例，可以基于第三模型得到目标纵向滑移率，基于第四模型得到目标侧向滑移率：

第三模型为：

第四模型为：

其中，σ

步骤S302：基于目标轮胎的目标纵向滑移率和目标侧向滑移率，获取目标轮胎的目标侧偏角和目标滑移率。

作为示例，可以通过如下方式获取目标轮胎的目标侧偏角和目标滑移率：

α

其中，α

上述第三模型和第四模型通过对相似法-各向异性刷子轮胎模型求逆得到，具体实现过程可以参看前述实施例，这里不再赘述。

如图4a所示，为本发明实施例提供的基于改进的相似法-各向异性刷子轮胎模型实现的轮胎力直接控制方法的一种效果示例，图4b为采用现有的轮胎力直接控制方法的一种效果示例。其中，实线代表期望的轮胎侧向力与纵向力，虚线代表进行轮胎力直接控制后轮胎实际产生的侧向力与纵向力。通过对比可以发现，使用本发明实施例提供的轮胎力直接控制方法对轮胎进行控制后实际产生的侧向力与纵向力更加接近期望的轮胎侧向力与纵向力，因而本发明实施例提供的轮胎力直接控制方法具有更高的精度。从定量的角度看，本发明实施例提供的轮胎力直接控制方法可以将现有轮胎力直接控制方法的轮胎力合力大小的误差的最大值由12％降至3％。

与方法实施例相对应，本发明实施例还提供一种轮胎力直接控制装置，本发明实施例提供的轮胎力直接控制装置的一种结构示意图如图5所示，可以包括：

获得模块501，融合模块502和处理模块503；其中，

获得模块501用于获得车辆的目标轮胎对应的目标纵向力和目标侧向力，以及所述目标轮胎的纵滑刚度、侧偏刚度、地面附着系数和垂向载荷；

融合模块502用于根据所述目标纵向力和所述目标侧向力，对所述纵滑刚度和所述侧偏刚度进行融合，获得所述目标轮胎的联合刚度；

处理模块503用于对所述目标纵向力和所述目标侧向力、所述联合刚度、所述地面附着系数和所述垂向载荷进行处理，得到所述目标轮胎的目标侧偏角和目标滑移率。

本发明实施例提供的轮胎力直接控制装置，通过基于目标纵向力和目标侧向力将纵滑刚度和侧偏刚度进行融合，得到联合刚度，进而基于联合刚度计算目标轮胎的目标侧偏角和目标滑移率，使得在轮胎处于联合滑移工况时，也能得到准确的轮胎侧偏角和滑移率，提高了轮胎力直接控制精度。

在一可选的实施例中，所述融合模块502用于：

根据所述目标纵向力和所述目标侧向力，计算所述纵滑刚度的第一权重和所述侧偏刚度的第二权重；

基于所述第一权重和所述第二权重，将所述纵滑刚度和所述侧偏刚度加权求和，得到所述目标轮胎的联合刚度。

在一可选的实施例中，所述第一权重基于第一模型得到，所述第二权重基于第二模型得到；其中，

所述第一模型为：

所述第二模型为：

其中，w

在一可选的实施例中，所述处理模块503用于：

根据所述目标纵向力和所述目标侧向力、所述联合刚度、所述地面附着系数和所述垂向载荷，获得所述目标轮胎的目标纵向滑移率和目标侧向滑移率；

基于所述目标轮胎的目标纵向滑移率和目标侧向滑移率，获取所述目标轮胎的目标侧偏角和目标滑移率。

在一可选的实施例中，所述目标纵向滑移率基于第三模型得到，所述目标侧向滑移率基于第四模型得到；其中，

所述第三模型为：

所述第四模型为：

其中，σ

在一可选的实施例中，所述第三模型和所述第四模型基于对相似法-各向异性刷子轮胎模型求逆得到；所述相似法-各向异性刷子轮胎模型为：

其中，F为轮胎力矢量F＝[F

在一可选的实施例中，所述装置还包括配置模块，用于对所述相似法-各向异性刷子轮胎模型求逆，得到求逆结果:

基于

本发明实施例提供的轮胎力直接控制装置可应用电子设备中。可选的，图6示出了电子设备的硬件结构框图，参照图6，电子设备的硬件结构可以包括：至少一个处理器1，至少一个通信接口2，至少一个存储器3和至少一个通信总线4；

在本发明实施例中，处理器1、通信接口2、存储器3、通信总线4的数量为至少一个，且处理器1、通信接口2、存储器3通过通信总线4完成相互间的通信；

处理器1可能是一个中央处理器CPU，或者是特定集成电路ASIC(ApplicationSpecific Integrated Circuit)，或者是被配置成实施本发明实施例的一个或多个集成电路等；

存储器3可能包含高速RAM存储器，也可能还包括非易失性存储器(non-volatilememory)等，例如至少一个磁盘存储器；

其中，存储器存储有程序，处理器可调用存储器存储的程序，所述程序用于：

获得车辆的目标轮胎对应的目标纵向力和目标侧向力，以及所述目标轮胎的纵滑刚度、侧偏刚度、地面附着系数和垂向载荷；

根据所述目标纵向力和所述目标侧向力，对所述纵滑刚度和所述侧偏刚度进行融合，获得所述目标轮胎的联合刚度；

对所述目标纵向力和所述目标侧向力、所述联合刚度、所述地面附着系数和所述垂向载荷进行处理，得到所述目标轮胎的目标侧偏角和目标滑移率。

可选的，所述程序的细化功能和扩展功能可参照上文描述。

本发明实施例还提供一种存储介质，该存储介质可存储有适于处理器执行的程序，所述程序用于：

获得车辆的目标轮胎对应的目标纵向力和目标侧向力，以及所述目标轮胎的纵滑刚度、侧偏刚度、地面附着系数和垂向载荷；

根据所述目标纵向力和所述目标侧向力，对所述纵滑刚度和所述侧偏刚度进行融合，获得所述目标轮胎的联合刚度；

对所述目标纵向力和所述目标侧向力、所述联合刚度、所述地面附着系数和所述垂向载荷进行处理，得到所述目标轮胎的目标侧偏角和目标滑移率。

可选的，所述程序的细化功能和扩展功能可参照上文描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统(若存在)、装置和方法，可以通过其它的方式实现。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

应当理解，本发明实施例中，从权、各个实施例、特征可以互相组合结合，都能实现解决前述技术问题。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

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。