一种智能车换道轨迹及换道轨迹跟随控制方法与流程

本发明属于无人驾驶碰撞安全领域，具体涉及一种智能车换道轨迹及换道轨迹跟随控制方法。
背景技术：
：随着国民经济水平的提高，汽车已然变得普及，由于智能汽车的发展，汽车的自动化程度越来越高，从消费者的生命财产以及社会经济的稳定发展等多方面考虑，提高道路的通行效率和乘车舒适性以及减少交通事故变得尤为重要。换道是汽车行驶过程中常见操作，它对驾驶安全性和舒适性以及通行效率都有着重要的影响。换道轨迹曲率不连续，会使乘坐者在换道过程不舒适；在换道结束时轨迹曲率不收敛趋近于零，会使汽车不能按照预期路径平稳行驶增加危险性；另外，换道过程中侧向加速度超过安全阈值会有安全隐患甚至造成交通事故引起道路拥堵，道路通行效率降低。常见的换道轨迹有圆弧换道轨迹、等速偏移换道轨迹、正弦函数换道轨迹，等速偏移换道轨迹存在突变点使汽车不能实现良好跟随性能；圆弧换道轨迹能满足侧向加速度峰值要求，但在轨迹端点侧向加速度有突变现象；正弦函数换道轨迹在换道结束时存在较大侧向加速度；najib等设计出梯形换道轨迹但运用起来缺乏灵活性，适用的路况较简单。现有的控制算法有滑膜控制、pid控制、最优控制、神经网络控制等，在满足精确跟随轨迹的同时很难兼顾计算简便速度快实时性等要求。因此，需要设计一种合理换道轨迹以及良好轨迹跟随方法，使汽车在换道过程中确保安全性、舒适性以及道路通行效率。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种智能车换道轨迹及换道轨迹跟随控制方法，旨在使车辆能够安全平稳快速地实现车道变更，避免交通事故的发生并提高道路通行效率。本发明提供一种智能车换道轨迹，采用等速偏移与正弦综合的换道轨迹函数，换道轨迹函数为：式中，u为车辆纵向速度，单位m/s；l为换道纵向距离，单位m；d为车道宽度，单位m。本发明同时提供一种智能车换道轨迹跟随控制方法，包括以下步骤：步骤一、生成换道轨迹函数，输出车辆侧向位置信息和方向角信息；所述换道轨迹函数为：式中，u为车辆纵向速度，单位m/s；l为换道纵向距离，单位m；d为车道宽度，单位m；步骤二、位姿误差计算：在大地坐标系下根据车辆和道路位置关系计算侧向位置偏差ycur和方向角偏差并计算侧向位置信息与方向角信息的总偏差e及偏差变化率error-rate；步骤三、根据隶属度函数和模糊规则求得动态比例参数δkp、动态积分参数δki、动态微分参数δkd；步骤四、关闭模糊控制器整定pid初始参数；pid控制：根据动态输入δkpδkiδkd以及pid初始参数确定pid比例、积分以及微分参数；步骤五、建立车辆模型，根据pid控制输出方向盘转角控制车辆跟随轨迹。车体坐标转换为大地坐标系，将车辆状态信息输入给位姿误差计算部分。本发明具有以下有益效果：1.本发明提供的智能车换道轨迹，采用等速偏移与正弦综合的换道轨迹函数，换道轨迹曲率变化连续平缓提高乘坐舒适性，在轨迹起始端和终端曲率为零利于汽车平稳地开始或结束换道沿着既定方向行驶。2.本发明提供的智能车换道轨迹跟随控制方法，首先生成期望换道轨迹；然后根据车辆当前侧向位置和方向角信息与期望侧向位置和期望方向角信息计算出偏差e和偏差变化率error-rate；接着根据隶属度函数和模糊规则求得动态δkp、δki、δkd，关闭模糊控制器整定pid初始参数，最后pid输出方向盘转角控制车辆跟随轨迹，使汽车安全平稳舒适快速地实现车道变更，减少交通事故并提高道路通行效率。附图说明图1为汽车换道过程示意图图2为换道轨迹跟随方法架构图图3为换道轨迹的曲率变化图图4为u＝20m/s时跟随换道轨迹仿真图图5为u＝20m/s时跟随换道轨迹仿真过程中侧向加速度曲线图图6为u＝25m/s时跟随换道轨迹仿真图图7为u＝25m/s时跟随换道轨迹仿真过程中侧向加速度曲线图图8为u＝30m/s时跟随换道轨迹仿真图图9为u＝30m/s时跟随换道轨迹仿真过程中侧向加速度曲线图图10为u＝35m/s时跟随换道轨迹仿真图图11为u＝35m/s时跟随换道轨迹仿真过程中侧向加速度曲线图具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。如图1所示，一种智能车换道轨迹，采用等速偏移与正弦综合的换道轨迹函数，换道轨迹函数为：式中，u为车辆纵向速度，单位m/s，车辆纵向速度u取值分别为20m/s、25m/s、30m/s、35m/s；l为换道纵向距离，单位m，依据高速公路建设标准对换道纵向距离l的限制取值为150m；d为车道宽度，单位m，车道宽度d＝3.8m，换道过程分别经过7.5s、6s、5s、4.3s。如图2至图11所示，一种智能车换道轨迹跟随控制方法，包括以下步骤：步骤一、生成等速偏移与正弦综合的换道轨迹函数，输出车辆侧向位置信息和方向角信息。所述换道轨迹函数为：式中，纵向速度u取值分别为20m/s、25m/s、30m/s、35m/s，依据高速公路建设标准对换道纵向距离l的限制取值为150m,车道宽度d＝3.8m，换道过程分别经过7.5s、6s、5s、4.3s。步骤二、位姿误差计算：在大地坐标系下根据车辆和道路位置关系计算侧向位置偏差和方向角偏差。(1)依据车辆当前侧向位置信息与期望侧向位置信息计算侧向位置偏差，依据车辆当前方向角信息和期望方向角信息计算方位偏差，计算公式为：δy＝yexp-ycur式中，yexp为期望侧向位置，ycur为当前汽车侧向位置，为汽车当前方向角，δy为侧向位置偏差，为方向角偏差。(2)计算总偏差e及偏差变化率error-rate，e为侧向位置信息与方向角信息偏差之和：式中，λ为方向作用系数取值为1；微分求的偏差变化率error-rate。步骤三、模糊控制：所述总偏差e用7个模糊子集涵盖，选用trimf类型函数作为隶属度函数。函数名按照域值区间由正到负的顺序依次为zd(正大)、zz(正中)、zx(正小)、z(零)、fx(负小)、fz(负中)、fd(负大)，域值区间为[-0.4,0.6]。函数名中，最大正区间内就是正大，中间正区间就是正中，最小正区间就是正小，依次类推。所述偏差变化率error-rate用7个模糊子集涵盖，选用trimf类型函数作为隶属度函数，函数名按照域值区间由正到负的顺序依次为zd、zz、zx、z、fx、fz、fd，域值区间为[-0.6，0.6]。模糊控制器的输出量分别为动态比例参数δkp、动态积分参数δki、动态微分参数δkd，域值区间分别为[-0.8,0.8]、[-0.2,1]以及[0,0.1]，选用trimf类型函数为输出的隶属度函数；用7个模糊子集涵盖输出量，函数名按照域值区间由负到正的顺序依次为fd、fz、fx、z、zx、zz、zd。模糊控制规则：选择模糊控制器中ifandthen规则，具体规则如表1至表3所示：ifeanderror-ratethenδkp；ifeanderror-ratethenδki；ifeanderror-ratethenδkd；表1为δkp模糊规则表2为δki模糊规则表3为δkd模糊规则步骤四、pid控制：根据动态输入δkpδkiδkd以及初始参数确定pid比例、积分以及微分参数，公式如下：kp＝kp0+δkpki＝ki0+δkikd＝kd0+δkd式中，kp0为比例初始参数，ki0为积分初始参数，kd0为微分初始参数。关闭模糊控制器，使用pid对车辆模型调试确定初始参数kp0、ki0和kd0。步骤五：建立车辆模型，根据pid控制输出方向盘转角控制车辆跟随轨迹，将车体坐标转换为大地坐标系，将车辆状态信息输入给位姿误差计算部分。车辆模型采用二自由度运动微分方程：式中，ωr为横摆角速度，单位rad/s；β为质心侧偏角，单位°；δ为前轮转角，单位°；u为纵向车速，单位m/s；其他物理量及取值见表4表4物理量值单位整车质量m2065kg车辆质心到前轴距离a1.489m车辆质心到后轴距离b1.722m前轮侧偏刚度k1-77800n/rad后轮侧偏刚度k2-76500n/rad整车绕z轴惯性矩iz3400kg/m2对横摆角速度积分得到横摆角，计算汽车在大地坐标系的速度公式如下：式中车体坐标系下纵向速度u在仿真时取值分别为20m/s、25m/s、30m/s、35m/s，为方向角，为大地坐标系下纵向速度，为大地坐标系下侧向速度。对大地坐标系下侧向速度进行积分得到侧向位置信息，将侧向位置信息与方向角作为位姿误差计算部分的输入，用于计算偏差error和偏差变化率error-rate。本发明提供的智能车换道轨迹跟随方法，首先生成期望换道轨迹；然后根据车辆当前侧向位置和方向角与期望侧向位置和期望方向角计算出偏差e和偏差变化率error-rate；接着根据隶属度函数和模糊规则求得动态δkp、δki、δkd，关闭模糊控制器使用pid调试确定初始参数，最后pid模块输出方向盘转角控制车辆跟随轨迹，使汽车在车道变更过程中更加安全舒适平稳，减少交通事故并提高道路通行效率，具有较强推广和应用价值。当前第1页1 2 3