[發明專利]一種考慮駕駛權實時分配的人車協同轉向控制方法

有效

• 申請號: 201711082359.8
• 申請日: 2017-11-07
• 公開（公告）號: CN107804315B
• 公開（公告）日: 2019-07-16
• 發明（設計）人: 劉俊;郭洪艷;申忱;胡云峰;宋林桓;陳虹
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: B60W30/00
• 分類號: B60W30/00;B60W50/00
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司 22201
• 代理人: 劉馳宇

1.一種考慮駕駛權實時分配的人車協同轉向控制方法，基于一種駕駛員和車輛自動駕駛控制器共同配合完成車輛轉向控制的駕駛模式，該種模式下當駕駛員的駕駛行為不出現錯誤時，車輛自動駕駛控制器能夠按照一定的比例幫助駕駛員分擔一部分轉向任務，減輕駕駛員負擔，在駕駛員駕駛行為出現錯誤時，將駕駛員的駕駛權重減小甚至減少至零，由車輛自動駕駛控制器獨立控制轉向，其特征在于，本方法具體步驟如下：

步驟一、建立車輛動力學模型與車輛運動學模型：

建立大地坐標系：原點O固結于地面，X軸通常與車輛初始運動方向重合，X沿逆時針方向旋轉90度為Y軸的正方向；

建立車輛坐標系：以車輛動力學模型中車輛質心o為坐標原點，沿著車輛前進的方向為x軸的正方向，x軸沿逆時針方向旋轉90度為y軸的正方向建立坐標系；

用車輛運動學模型表征車輛的操縱穩定性與車輛的側向運動的關系，并用二自由度車輛動力學模型表征車輛的操縱穩定性和車輛的橫擺運動之間的關系，具體過程如下：

假定車輛是一個剛性體，車輛裝置著四個不會發生形變的車輪，并以車輛前輪作為轉向輪，根據車輛運動學方程以及車輛運動的幾何關系得到車輛的運動學模型如式(1)所示：

式中xo為車輛質心o的縱向位移，單位m；yo為車輛質心o的側向位移，單位m；v為車輛質心的速度，單位m/s；r為車輛的橫擺角速度，單位rad/s；ψ為車輛的航向角，單位rad；β為車輛的質心側偏角，單位rad；

考慮到實際道路的曲率通常很小，車輛在這段實際道路區域內行駛時航向角ψ同樣可以認為是很小的，且實際上車輛的質心側偏角β變化范圍也很小，所以有：sin(ψ+β)≈ψ+β，cos(ψ+β)≈1，結合式(1)可以得到簡化的車輛運動學模型，如式(2)所示：

本方法是通過控制車輛的前輪轉角來實現路徑跟蹤的目的，并且認為車輛保持勻速狀態行駛，所以只需要考慮車輛的側向運動，根據牛頓第二定律與力矩平衡關系，可得到如式(3)所示的二自由度車輛動力學模型：

式中v_x為車輛質心處的縱向速度，單位m/s；F_yf為車輛前輪側向力，單位N；F_yr為車輛后輪側向力，單位N；m為車輛的質量，單位kg；I_z為車輛繞z軸的轉動慣量，單位kg·m²；a為車輛質心o到車輛前軸的距離，單位m；b為車輛質心o到車輛后軸的距離，單位m；δ_f為車輛前輪轉角，單位rad；

車輛實際的前輪轉角δ_f通常也很小，可以近似認為：cosδ_f≈1，sinδ_f≈0，因此對式(3)進行簡化，簡化后的二自由度車輛動力學模型如式(4)所示：

車輛側向輪胎力未達到飽和時，車輛側向輪胎力F_y與輪胎側偏角α可近似看作呈線性關系如式(5)所示：

式中C_f為車輛前輪的輪胎側偏剛度，單位N·rad；C_r為車輛后輪的輪胎側偏剛度，單位N·rad；α_f為車輛前輪的輪胎側偏角，單位rad；α_r為車輛后輪的輪胎側偏角，單位rad；

在車輛坐標系下，前輪的輪胎側偏角α_f和后輪的輪胎側偏角α_r有如式(6)的關系：

結合式(4)、式(5)和式(6)，整理可得二自由度車輛動力學模型如式(7)所示：

步驟二、建立車輛自動駕駛控制器：

根據車輛運動的特點，建立能夠使車輛按照一定軌跡行駛的車輛自動駕駛控制器，車輛的運動服從阿克曼幾何關系，車輛軌跡曲率與前輪轉角成正比：

其中，δ_a為車輛自動駕駛控制器決策出的當前時刻前輪轉角，單位rad；L為軸距，單位m；v_ax為大地坐標系下車輛縱向速度，單位m/s；R為車輛轉彎半徑，單位m；a_ay為車輛大地坐標系下的橫向加速度，單位m/s²；

假設車輛始終沿著道路中心線行駛，道路中心線的方程為f(t),道路中心線f(t)在X方向的坐標是函數x(t)，道路中心線f(t)在Y方向的坐標是函數y(t)；設在瞬時t_o車輛在Y方向的坐標為y_ao、車輛在Y方向的加速度為a_ayo、在Y方向的速度為v_ayo以及車輛的合速度為v_ao，當前位置在X方向坐標為x(t_o)；假設車輛自動駕駛控制器感知到車輛前方道路上的某一點，該點定義為預視點，車輛質心o與該預視點在X方向的距離定義為預視距離d，對應于預視距離d有預視時間T，預視時間T表示的是車輛從當前位置行駛到該預視點所需要的時間，則預視時間車輛自動駕駛控制器感知到的預視點在X方向坐標為x(to+T)，車輛自動駕駛控制器此時選擇一個前輪轉角使車輛能夠使在經過時間T后到達預視點，該前輪轉角對應的車輛的軌跡曲率為這樣經過時間T之后，在時刻t_o+T車輛的橫向位移y_a為：

根據最小誤差原則，車輛自動駕駛控制器總是希望選擇一個車輛的最優的軌跡曲率記為使得車輛在T時間內走過距離d到達x(t_o+T)后，其預視點在Y方向的坐標y_a與x(t_o+T)處的中心線軌道在Y方向的坐標y(t_o+T)相一致，由式(9)以及運動學原理求得車輛在Y方向的最優加速度為和車輛的最優的軌跡曲率為：

將車輛最優的軌跡曲率帶入式(8)則可得到車輛自動駕駛控制器決策出的當前時刻前輪轉角δ_a為：

步驟三、建立人車共駕系統模型：

駕駛員與車輛自動駕駛控制器共同駕駛車輛為人車共駕系統，步驟三通過建立人車共駕系統模型對人車共駕系統進行描述，由步驟二建立的車輛自動駕駛控制器決策出的當前時刻前輪轉角δ_a,駕駛員決策出的當前時刻前輪轉角δ_h，通過求解出當前時刻的駕駛權重ε后再按照式(12)給出的比例關系進行分配：

δ_f＝εδ_h+(1-ε)δ_a (12)

式中δ_a為車輛自動駕駛控制器決策出的當前時刻前輪轉角，單位rad；δ_h為駕駛員決策出的當前時刻前輪轉角，單位rad；

求解出當前時刻的駕駛權重ε后，車輛自動駕駛控制器決策出的當前時刻前輪轉角δ_a和駕駛員決策出的當前時刻前輪轉角δ_h再根據式(12)給出的比例關系進行分配得到當前時刻最終的前輪轉角δf作為當前時刻最終的前輪轉角控制量；

結合式(2)、式(7)、式(11)和式(12)，由于側向車速相對于縱向車速較小可以近似看作v≈v_x，整理可得人車共駕系統模型如式(13)：

其中，f(t+T)為t+T時刻的道路中心線的方程；

該人車共駕系統模型選取車輛質心o的側向位移yo作為人車共駕系統模型的輸出，同時選取駕駛權重ε作為人車共駕系統模型的控制輸入，選取狀態向量x＝[y_o ψ β r]^T，人車共駕系統模型可被描述成如式(14)所示的狀態空間形式：

其中A為系統矩陣，表示系統內部狀態變量的關系；B為控制矩陣，表示輸入變量如何控制狀態變量；C為輸出矩陣，表示輸出變量如何反映狀態；E為常數項矩陣；各個矩陣表達式如下：

C＝[1 0 0 0]；

步驟四、采用模型預測方法進行人車共駕系統控制器設計：

以步驟三中的人車共駕系統模型作為人車共駕系統控制器設計的預測模型，駕駛權重ε作為人車共駕系統控制器的控制輸入，設k為當前時刻，認為車輛在預測時域內速度保持不變，且認為駕駛員決策出的當前時刻前輪轉角δ_h在預測時域內同樣保持不變，將式(14)的人車共駕系統模型進行離散化得到式(15)：

式中C_c＝C,E_c＝E，T_s為采樣時間，單位s；

人車共駕系統控制器采用的模型預測方法中預測時域為P，控制時域為N，且滿足N≤P，控制時域之外的人車共駕系統控制器的控制輸入保持不變，通過式(15)可以推導出人車共駕系統控制器狀態預測方程如式(16)：

推導出人車共駕系統控制器輸出預測方程如式(17)：

同時定義預測時域P內每一時刻人車共駕系統控制器控制輸入ε的序列U_ε(k)、預測時域P內駕駛員決策出的每一時刻前輪轉角δ_h的序列R(k)、預測時域P內車輛自動駕駛控制器決策出的每一時刻前輪轉角δ_a的序列U_a(k)、預測時域P內每一時刻控制輸出yo的序列U_y(k)、預測時域P內每一時刻道路中心線橫向坐標y的序列R_y(k)和預測時域P內車輛自動駕駛控制器決策出的每一時刻前輪轉角和駕駛員決策出的每一時刻前輪轉角按照比例分配得到的預測時域P內每一時刻最終的前輪轉角δf的序列U(k)，如式(18)：

式中δ_h(k+i)為k+i時刻的駕駛員決策出的前輪轉角，單位rad；δf(k+i)為預測時域內k+i時刻車輛自動駕駛控制器決策出的前輪轉角和預測時域內駕駛員決策出的前輪轉角按照式(12)分配得到的最終的前輪轉角，即為人車共駕系統控制器實際控制車輛的前輪轉角，單位rad；x(k+i)為k+i時刻的人車共駕系統控制器的狀態向量；yo(k+i)為k+i時刻的人車共駕系統控制器的輸出，即車輛質心的側向位置，單位m；y(k+i),i＝1,…,P為期望道路區域中心線f(t)在Y方向坐標離散量，離散間隔為v_ax·T_s，單位m；式中，i＝1,2,3…P；

人車共駕系統控制器的控制目標是一方面讓駕駛員感受到車輛按照自己的駕駛意圖行駛，通過跟蹤駕駛員決策出的前輪轉角實現，如式(19)：

J₁＝‖(U(k)-R(k))‖² (19)

另一方面使車輛發生危險的概率最小，通過跟蹤道路中心線實現，如式(20)：

J₂＝‖(U_y(k)-R_y(k))‖² (20)

同時為了保證車輛轉向的平順性，應該使人車共駕系統控制器的控制量即車輛前輪轉角盡可能的小，如式(21)：

J₃＝‖(U(k)‖² (21)

引入權重矩陣Γ_h、Γ_y和Γ_u對J₁、J₂和J₃三個優化目標的權重進行調整，人車共駕系統控制器的優化目標如式(22)：

本方法中道路邊界可以通過車輛的感知系統實時獲得，且車輛必須在道路邊界內行駛，即車輛坐標不超出道路邊界，通過對車輛側向位置約束簡化考慮，道路加上車輛一半的寬度可以得到車輛前軸質心的道路邊界約束和車輛后軸質心的道路邊界約束，式中lf(ψ+β)表示車輛當前質心側偏角與橫擺角所造成的前軸端點的側向位移量，l_r(ψ+β)表示車輛當前質心側偏角與橫擺角所造成的后軸端點的側向位移量，車輛側向位置約束滿足如下式(23)的不等式關系：

式中f_l(x)為通過車輛的感知系統實時獲得的前方可行道路區域的左邊界；f_r(x)為通過車輛的感知系統實時獲得的前方可行道路區域的右邊界；w為車輛寬度，單位m；lf為車輛質心o到車輛前端點的距離，單位m；l_r為車輛質心o到車輛后端點的距離，單位m；

人車共駕系統控制器必須滿足系統約束如式(24)：

式中C_ψ＝[0 1 0 0],C_β＝[0 0 1 0]；f_l(k+i)為預測時域內前方可行道路區域左邊界線f_l(x)在時刻k+i的采樣值，單位m；f_r(k+i)則為預測時域內前方可行道路區域右邊界線f_r(x)在時刻k+i的采樣值，單位m；

步驟五、進行駕駛權分配并計算控制量完成控制：

根據步驟四中優化求解出的預測時域P內每一時刻控制輸入ε的序列U_ε(k)、預測時域內車輛自動駕駛控制器的決策出的每一時刻前輪轉角δ_a的序列U_a(k)和預測時域內駕駛員決策出的每一時刻前輪轉角δ_h的序列R(k)，取U_ε(k)中的第一個量作為駕駛權重，取預測時域內車輛自動駕駛控制器決策出的每一時刻前輪轉角δ_a的序列U_a(k)中的第一個量作為車輛自動駕駛控制器決策出的當前時刻前輪轉角，取預測時域內駕駛員決策出的每一時刻前輪轉角δ_h的序列R(k)中的第一個量作為駕駛員決策出的當前時刻前輪轉角，根據式(12)求得當前時刻最終的前輪轉角如式(25)：

δ_f＝U_ε(1)·R(1)+(1-U_ε(1))·U_a(1) (25)

當前時刻最終的前輪轉角δ_f作為最終控制量傳給車輛，車輛通過相應的執行機構執行控制量δ_f，實現駕駛員與車輛自動駕駛控制器協同控制車輛轉向的過程。