[發(fā)明專利]一種基于微分平坦的智能車避障控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811607568.4
• 申請(qǐng)日: 2018-12-27
• 公開（公告）號(hào): CN109677403B
• 公開（公告）日: 2020-05-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 郭洪艷;薄悅;朱飛白;申忱;陳虹;劉俊
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 吉林大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F17/13
• 分類號(hào): G06F17/13;B60W30/09;B60W30/14;B60W50/00;G06F30/15
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責(zé)任公司 22201
• 代理人: 劉馳宇

1.一種基于微分平坦的智能車避障控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一、操作規(guī)劃：判斷自主車輛采取何種駕駛子操作

在處理避障問題的思想上，提出了操作規(guī)劃的思路，即自主車輛的任何駕駛過程都可以分解為一系列基本駕駛子操作的組合，駕駛子操作包括巡航和換道；

自主車輛與前方障礙車輛的縱向距離：

d＝|x_obs-x_x| (1)

基于車輛制動(dòng)過程運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的避障安全距離模型：

其中，d為自主車輛與前方障礙車輛的縱向距離；x_obs為前方障礙車輛的縱向距離；x_x為自主車輛的縱向距離；D_s為避障安全距離；v_x為自主車輛的縱向速度，v₂為障礙車輛的縱向速度，a_x為自主車輛的制動(dòng)減速度，a₂為障礙車輛的制動(dòng)減速度；d₀為自主車輛和障礙車輛均處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)兩車輛之間應(yīng)保持的最小安全距離，d₀取0.5m；t_x為自主車輛制動(dòng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)時(shí)間，t_x取0～2s；t_hum為駕駛員的制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間，t_hum取0.3～2.0s；車輛位置x_obs、x_h，速度v_x、v₂以及加速度a_x、a₂由自主車輛中的傳感器測(cè)量得到；

為保證足夠的安全，簡(jiǎn)化安全距離模型，本方法假設(shè)一種極限工況，即假設(shè)前方障礙車輛靜止，忽略駕駛員的制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間，即v₂＝0，t_hum＝0，安全距離模型簡(jiǎn)化為：

根據(jù)縱向距離與安全距離的大小來決策采取何種駕駛子操作：

當(dāng)自主車輛與前方障礙車輛的縱向距離d大于或等于安全距離D_s，即d≥D_s時(shí)，自主車輛保持行車道巡航；

當(dāng)自主車輛與前方障礙車輛的縱向距離d小于安全距離D_s，即d＜D_s時(shí)，自主車輛需要超越前方障礙車輛，進(jìn)行換道；

步驟二、建立簡(jiǎn)化的車輛系統(tǒng)模型：

式中，

其中，大地坐標(biāo)系以自主車輛初始位置為大地坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)O₁，自主車輛初始前進(jìn)方向?yàn)榇蟮刈鴺?biāo)系的橫軸，即X₁軸的正方向；垂直于X₁軸指向駕駛員左側(cè)的方向?yàn)榇蟮刈鴺?biāo)系的縱軸，即Y₁軸的正方向；

車輛坐標(biāo)系以自主車輛質(zhì)心為車輛系的坐標(biāo)原點(diǎn)O₂，沿著車身向前的方向?yàn)檐囕v坐標(biāo)系的橫軸，即X₂軸的正方向；垂直于X₂軸指向駕駛員左側(cè)的方向?yàn)檐囕v坐標(biāo)系的縱軸，即Y₂軸的正方向；垂直于X₂軸和Y₂軸并通過自主車輛的質(zhì)心指向上方的方向?yàn)檐囕v坐標(biāo)系的縱軸Z₂；

x為系統(tǒng)的狀態(tài)向量；u為系統(tǒng)控制量；A為系統(tǒng)矩陣；B為輸入矩陣；y為自主車輛的質(zhì)心在大地坐標(biāo)系下的側(cè)向位移，單位：m；v_y為自主車輛的側(cè)向速度，單位：m/s；γ為自主車輛的橫擺角，單位：rad；為自主車輛的橫擺角速度，單位：rad/s；δ_sw為自主車輛的方向盤轉(zhuǎn)角，單位：rad；v_x為自主車輛的縱向速度，單位：m/s；C_f為自主車輛前輪輪胎的側(cè)偏剛度，單位：N/rad；C_r為自主車輛后輪輪胎的側(cè)偏剛度，單位：N/rad；m為自主車輛的質(zhì)量，單位：kg；a為自主車輛的質(zhì)心到自主車輛前軸的距離，單位：m；b為自主車輛質(zhì)心到自主車輛后軸的距離，單位：m；I_s為自主車輛的方向盤轉(zhuǎn)角到自主車輛的前輪轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)向系角傳動(dòng)比；I_z為自主車輛繞車輛坐標(biāo)系縱軸Z₂的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，單位：kg·m²；

步驟三、采用微分平坦方法：首先確定平坦輸出，用選取的平坦輸出z及其有限階導(dǎo)數(shù)來表示系統(tǒng)狀態(tài)和控制輸入：

(1)平坦輸出：

z＝y(tǒng) (15)

其中，y為自主車輛的質(zhì)心大地坐標(biāo)系下的側(cè)向位移；

(2)系統(tǒng)狀態(tài)的平坦輸出表示：

用y表示自主車輛的質(zhì)心在大地坐標(biāo)系下的側(cè)向位移，根據(jù)車輛坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系可得到自主車輛在大地坐標(biāo)系下的側(cè)向位移y與自主車輛的縱向速度v_x和自主車輛的側(cè)向速度v_y之間的關(guān)系如下：

自主車輛工作在穩(wěn)定工況，橫擺角很小，即γ≈0，因此可有如下近似：

式(16)便可以化簡(jiǎn)為：

自主車輛的質(zhì)心速度v為：

前方可行道路區(qū)域的道路曲率ρ為：

自主車輛的質(zhì)心側(cè)偏角β可用式(21)求得：

β＝-k₁ρ³v+k₂ρ (21)

其中，k₁，k₂為曲線參數(shù)，取k₁＝10.1，k₂＝102537；

將式(19)和式(20)帶入式(21)可以得到自主車輛的質(zhì)心側(cè)偏角β的平坦輸出表示：

自主車輛的橫擺角γ可由式(23)求得：

將式(22)帶入式(23)可以得到自主車輛橫擺角γ的平坦輸出表示M：

其中，M為自主車輛橫擺角γ的平坦輸出表示；

再將式(24)帶入式(18)可得自主車輛側(cè)向速度v_y的平坦輸出表示N：

其中，N為自主車輛的側(cè)向速度v_y的平坦輸出表示；

對(duì)自主車輛的橫擺角γ求導(dǎo)可以得到自主車輛的橫擺角速度因此，對(duì)自主車輛橫擺角γ的平坦輸出表示M求導(dǎo)可以得到自主車輛橫擺角速度的平坦輸出表示如(26)：

其中，為自主車輛的橫擺角速度的平坦輸出表示；

(3)控制輸入的平坦輸出表示：

根據(jù)力平衡方程、線性輪胎模型以及自主車輛的方向盤轉(zhuǎn)角到自主車輛的前輪轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)向系角傳動(dòng)比I_s可以得到自主車輛的方向盤轉(zhuǎn)角δ_sw表達(dá)式，如式(27)：

由式(28)可知，需要得到自主車輛的側(cè)向速度v_y的一階導(dǎo)數(shù)因此對(duì)式(25)求導(dǎo)可得：

其中，為自主車輛的側(cè)向速度v_y的一階導(dǎo)數(shù)的平坦輸出表示；

將式(25)、式(26)以及式(28)帶入式(27)中得到自主車輛的方向盤轉(zhuǎn)角δ_sw的平坦輸出表示：

步驟四、將平坦輸出參數(shù)化：

平坦輸出參數(shù)化過程中，考慮到自主車輛的側(cè)向運(yùn)動(dòng)為變加速運(yùn)動(dòng)，所以將自主車輛質(zhì)的心在大地坐標(biāo)系下的側(cè)向位移y參數(shù)化為時(shí)間的三次函數(shù)：

y＝b₃t³+b₂t²+b₁t+b₀ (30)

其中，b₃,b₂,b₁,b₀為待優(yōu)化參數(shù)；

步驟五、采用微分平坦方法進(jìn)行自主避障控制器設(shè)計(jì)，為使自主車輛在盡可能短的時(shí)間內(nèi)避開障礙物，并保證自主避障控制器輸出的控制量始終平穩(wěn)，目標(biāo)函數(shù)為：

滿足：

其中，J為優(yōu)化函數(shù)的目標(biāo)函數(shù)；t為任意時(shí)刻；Δt為滾動(dòng)時(shí)域；y_r為通過自主車輛感知系統(tǒng)得到的前方可行道路區(qū)域中心線；δ_swmin為自主車輛的方向盤轉(zhuǎn)角δ_sw的最小值；δ_swmax為自主車輛的方向盤轉(zhuǎn)角δ_sw的最大值；y_min為自主車輛在大地坐標(biāo)系下的側(cè)向位移y的最小值；y_max為自主車輛在大地坐標(biāo)系下的側(cè)向位移y的最大值；

步驟六、將優(yōu)化參數(shù)b₃,b₂,b₁,b₀帶入式(30)、式(25)、式(26)、式(24)及式(19)可以得到最優(yōu)的系統(tǒng)狀態(tài)y,v_y,γ和控制量δ_sw；

根據(jù)步驟一中給出的規(guī)則判斷自主車輛采取何種子操作：

當(dāng)自主車輛與前方障礙車輛的縱向距離d大于或等于安全距離D_s，即d≥D_s時(shí)，自主車輛保持行車道巡航，不需要進(jìn)行換道避障操作；

當(dāng)自主車輛與前方障礙車輛的縱向距離d小于安全距離D_s，即d＜D_s時(shí)，自主車輛需要超越前方障礙車輛，進(jìn)行換道，將優(yōu)化出的控制量δ_sw作用于自主車輛執(zhí)行機(jī)構(gòu)，即可完成換道避障操作。