一种自动驾驶车的双路协同可拓横向控制方法与流程

本发明属于汽车自动驾驶控制技术，具体涉及一种自动驾驶车的双路协同可拓横向控制方法。

背景技术

为满足安全、高效、智能化交通发展的要求，自动驾驶汽车成为其重要载体和主要研究对象，尤其是电动自动驾驶汽车对于改善环境污染、提高能源利用率、改善交通拥挤问题有着很大作用。因此，自动驾驶车辆在各种道路工况下，车辆横向控制精度和安全成为自动驾驶车辆控制中重要的一部分。

自动驾驶车辆基于普通车辆平台，架构计算机、视觉传感器、自动控制执行机构以及信号通讯设备，实现自主感知、自主决策和自主执行操作动作保证安全行驶功能。常见自动驾驶车辆多为前轮驱动，通过调节前轮转角保证车辆横向控制精度和车辆行驶的安全性稳定性。

从诸多自动驾驶车辆竞技比赛中不难看出，目前自动驾驶车辆最为主要的难点之一是高速弯道工况等高动态下的安全性和可靠性。数据表明，当车辆速度超过50km/h，跟踪路径曲率半径大于75m时，最大横向位置偏差难以保证小于0.1m，在一些恶劣工况下自动驾驶车辆会出现不稳定或是失控现象。

横向控制主要有两种：预瞄式参考系统和非预瞄式参考系统，预瞄式参考系统主要以车辆前方位置的道路曲率作为输入，根据车辆与期望路径之间的横向偏差或航向偏差为控制目标，通过各种反馈控制方法设计对车辆动力学参数鲁棒的反馈控制系统，如基于雷达或摄像头等视觉传感器的参考系统。非预瞄式参考系统根据车辆附近的期望路径，通过车辆运动学模型计算出描述车辆运动的物理量，如车辆横摆角速度，然后设计反馈控制系统进行跟踪。

目前还没有现有技术对车辆-道路系统实时状态监测，以及基于实时状态特性给出控制器输出，导致在大曲率和时变曲率下跟踪控制精度不高，难以满足自动驾驶车辆高动态实时性控制需求。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种自动驾驶车的双路协同可拓横向控制方法。

技术方案：本发明的一种自动驾驶车的双路协同可拓横向控制方法，包括以下步骤：

(1)建议二自由度动力学模型；

(2)建议轨迹跟踪预瞄误差模型；

(3)特征提取和域界划分；

(4)计算双路关联函数；

(5)控制系统输出。

进一步的，所述步骤(1)中二自由度动力学模型为：

车辆二自由度动力学模型数学方程可以表示为：

其中，车辆整车质量为m，车辆绕质心(cg)z轴的转动惯量为iz，前后轴距离质心的距离分别为lf和lr，vx和vy分别为车辆沿x轴和y轴的纵向速度和侧向速度，β和r分别为质心侧偏角和横摆角速度，fyfl、fyfr、fyrl和fyrr分别为四个车轮受到的侧向力；

fyf、fyf分别为前轴和后轴轮胎受到的侧向合力，表示为fyf＝fyfl+fyfr、fyr＝fyrl+fyrr，前轮转角δf调节车辆行驶方向，δf为车辆二自由度模型的输入参数，此处假设车辆纵向速度vx为常数，左右车轮的侧偏角相同，iz为绕质心的转动惯量；

前后轮胎侧向力fyf、fyr与前后轮轮胎侧偏角αf、αr的关系为：

fyf(t)＝cfαf(t)fyr(t)＝crαr(t)(2)

其中，cf、cr为前后轮胎侧偏刚度，在轮胎工作于线性区时，其值为定值；

前后轮胎侧偏角αf、αr表示为：

将式(2)和(3)代入式(1)中，得到方程：

其中，

将其写成状态空间方程形式：

状态量x＝[β,r]^t，且

进一步的，所述步骤(2)中轨迹跟踪预瞄误差模型为：

式中，ev为预瞄点处到参考轨迹的横向距离，即为预瞄横向位置偏差；l为车辆质心cg到预瞄点的距离；为参考轨迹预瞄点处航向角，为车辆航向角，定义为航向偏差；；为参考轨迹的曲率，r为道路弯曲半径。

进一步的，所述步骤(3)中特征量提取和域界划分的具体过程为：

(3.1)可拓控制器选择预瞄点处横向位置偏差ev和航向偏差作为特征量，并通过二者的偏差和偏差微分构建可拓集合和

(3.2)将横向位置偏差可拓集合和航向偏差可拓集合划分为三个区域：经典域、可拓域和非域；设定车辆-道路系统处于可控状态、可调节状态和不可控制状态；然后定义双路可拓集合域界为：

横向位置偏差经典域界为：

横向位置偏差可拓域界为：

航向偏差经典域界为：

航向偏差可拓域界为：

进一步的，所述步骤(4)根据实时状态下预瞄点横向位置偏差可拓集合点和航向偏差可拓集合点与最优点s0(0,0)的可拓距|ses0|、以及经典域界和可拓域界可拓距计算两者关联函数，即为

其中，预瞄点处横向位置偏差与最优点s0(0,0)的加权可拓距为：

航向偏差与最优点s0(0,0)的加权可拓距为

横向位置偏差经典域界可拓距为

横向位置偏差可拓域界可拓距为

航向偏差经典域界可拓距为

航向偏差可拓域界可拓距为

进一步的，所述步骤(5)中控制系统的输出方法为：

(5.1)根据双路关联函数对系统特征量ev和进行模式识别；

(5.2)基于对实时特征量的模式识别，在对应的模式下采用对应的控制器前轮转角输出值；

(5.3)基于特征量ev和特征量所决定的前轮转角输出值，将其通过权重协调相加方式得到车辆动力学模型的前轮转角输入δf。

进一步的，所述步骤(5.1)中模式识别过程为：

ifke(se)≥0,then测度模式me1；

if-1≤ke(se)<0,then测度模式me2；

else测度模式me3.

and

测度模式

测度模式

else测度模式

进一步的，所述步骤(5.2)中特征量ev在相应模式下的控制器前轮转角输出值为：

当测度模式为me1时，车辆-道路系统处于稳定状态，此时控制器前轮转角输出值为：δe＝-kcme1ev(19)

其中，kcme1为测度模式me1基于特征量ev的状态反馈系数，例如采用极点配置方法选择状态反馈系数；根据车辆动力学模型前轮转角δf与预瞄点横向位置偏差ev传递函数，通过matlab中命令[k，r]＝rlocfind(num,den)获得状态反馈系数，并在此基础上根据响应结果对参数微调。

当测度模式为me2时，车辆-道路系统处于轻度失稳状态，属于可调范围内，通过增加控制器附加输出项，将车辆-道路系统重新调节到稳定状态，控制器前轮转角输出值为：

δe＝-kcme1ev+kcme2ke(se)[-sgn(ev)](20)

kcme2为测度模式me2下附加输出项控制系数，该系数基于测度模式me1下控制量适量人工调节，保证附加输出项能够使得车辆-道路系统在此回到稳定状态。

其中，

kcme2ke(se)[-sgn(ev)]为控制器附加输出项，该项结合关联函数值ke(se)，关联函数，能够直观体现车辆-道路系统距离稳定区域的调节难度，因此，通过关联函数值的变化，根据控制难度实时改变控制器附加输出项的值。

当测度模式为me3时，车辆-道路模型由于偏差较大，无法及时调节到稳定状态，为保证车辆安全，此时控制器前轮转角输出值为：

δe＝0(22)

测度模式me3在控制过程中应尽可能避免。

综上所述，对于特征量ev控制器前轮转角输出值为：

解特征量控制器前轮转角输出值为：

进一步的，所述步骤(5.3)中基于上述特征量ev和特征量所决定的前轮转角输出值，将其通过权重协调相加方式得到车辆动力学模型的前轮转角输入δf。

其中，ke为特征量ev控制器前轮转角输出值协调系数，为特征量控制器前轮转角输出值协调系数。

有益效果：本发明利用一种基于偏差变化实时拓展控制器输出结果的方法，达到将误差保证在较低范围内效果，因此，可将可拓控制方法运用到自动驾驶车辆横向控制系统，保证车辆运动过程中高跟踪精度。自动驾驶车辆横向控制目标保证横向位置偏差和航向偏差尽可能的小，为了实现控制目标，本文创造性的设计双路可拓控制系统，分别选取横向位置偏差和航向偏差作为可拓控制器特征量，并建立两个可拓集合，对可拓集合进行域界划分，将整个可拓集合划分为经典域、可拓域和非域三个区域。通过车辆-道路系统实时特征量计算关联函数值，基于关联函数值将每一个实时特征状态量分类到各个区域中，基于此分别计算输出两路前轮转角输出值，最后通过协调权重系数实现双路可拓控制器协调输出。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的二自由度车辆动力学模型；

图3为本发明的轨迹跟踪预瞄误差模型；

图4为本发明的双路可拓集合区域划分图；

图5为本发明的双路关联函数计算模块示意图；

图6.为本发明的关联函数与域界关系图；

图7为实施例中可行性仿真验证图；

图8为实施例的双次变道工况轨迹跟踪结果图；

其中，图8(a)为整体轨迹跟踪示意图；图8(b)为图8(a)中的方框的局部示意图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

如图1所示，本发明的一种自动驾驶车的双路协同可拓横向控制方法，包括以下步骤：

(1)建议二自由度动力学模型；如图1所示，

车辆二自由度动力学模型数学方程表示为：

其中，车辆整车质量为m，车辆绕质心(cg)z轴的转动惯量为iz，前后轴距离质心的距离分别为lf和lr，vx和vy分别为车辆沿x轴和y轴的纵向速度和侧向速度，β和r分别为质心侧偏角和横摆角速度，fyfl、fyfr、fyrl和fyrr分别为四个车轮受到的侧向力；

fyf、fyr分别为前轴和后轴轮胎受到的侧向合力，表示为fyf＝fyfl+fyfr、fyr＝fyrl+fyrr，前轮转角δf调节车辆行驶方向，δf为车辆二自由度模型的输入参数，此处假设车辆纵向速度vx为常数，左右车轮的侧偏角相同，iz为绕质心的转动惯量；

前后轮胎侧向力fyf、fyr与前后轮轮胎侧偏角αf、αr的关系为：

fyf(t)＝cfαf(t)fyr(t)＝crαr(t)(2)

其中，cf、cr为前后轮胎侧偏刚度，在轮胎工作于线性区时，其值为定值；

前后轮胎侧偏角αf、αr表示为：

将式(5)和(6)代入式(4)中，得到方程：

其中，

将其写成状态空间方程形式：

状态量x＝[β,r]^t，且

(2)建议轨迹跟踪预瞄误差模型；

如图3所示该模型为：

式中，ev为预瞄点处到参考轨迹的横向距离，即为预瞄横向位置偏差；l为车辆质心cg到预瞄点的距离；为参考轨迹预瞄点处航向角，为车辆航向角，定义为航向偏差；ρ为参考轨迹的曲率，为道路弯曲半径的倒数；

(3)特征提取和域界划分：

(3.1)可拓控制器选择预瞄点处横向位置偏差ev和航向偏差作为特征量，并通过二者的偏差和偏差微分构建和

(3.2)如图4所示，将横向位置偏差可拓集合和航向偏差可拓集合划分为三个区域：经典域、可拓域和非域；设定车辆-道路系统处于可控状态、可调节状态和不可控制状态；然后定义双路可拓集合域界如下：

横向位置偏差经典域界为：

横向位置偏差可拓域界为：

航向偏差经典域界为：

航向偏差可拓域界为：

(4)计算双路关联函数：

如图5所示，根据实时状态下预瞄点横向位置偏差可拓集合点和航向偏差可拓集合点与最优点s0(0,0)的可拓距|ses0|、以及经典域界和可拓域界可拓距计算两者关联函数，即为

其中，预瞄点处横向位置偏差与最优点s0(0,0)的加权可拓距为：

航向偏差与最优点s0(0,0)的加权可拓距为

横向位置偏差经典域界可拓距为

横向位置偏差可拓域界可拓距为

航向偏差经典域界可拓距为

航向偏差可拓域界可拓距为

(5)控制系统输出：

(5.1)如图6所示，根据双路关联函数对系统特征量ev和进行模式识别；

(5.2)基于对实时特征量的模式识别，在对应的模式下采用对应的控制器前轮转角输出值；

(5.3)基于特征量ev和特征量所决定的前轮转角输出值，将其通过权重协调相加方式得到车辆动力学模型的前轮转角输入δf。

其中，步骤(5.1)中模式识别过程为：

ifke(se)≥0,then测度模式me1；

if-1≤ke(se)<0,then测度模式me2；

else测度模式me3.

and

测度模式

测度模式

else测度模式

上述步骤(5.2)中特征量ev在相应模式下的控制器前轮转角输出值为：

当测度模式为me1时，车辆-道路系统处于稳定状态，此时控制器前轮转角输出值为：δe＝-kcme1ev(19)

其中，kcme1为测度模式me1基于特征量ev的状态反馈系数，例如采用极点配置方法选择状态反馈系数；根据车辆动力学模型前轮转角δf与预瞄点横向位置偏差ev传递函数，通过matlab中命令[k，r]＝rlocfind(num,den)获得状态反馈系数，并在此基础上根据响应结果对参数微调。

当测度模式为me2时，车辆-道路系统处于轻度失稳状态，属于可调范围内，通过增加控制器附加输出项，将车辆-道路系统重新调节到稳定状态，控制器前轮转角输出值为：

δe＝-kcme1ev+kcme2ke(se)[-sgn(ev)](20)

kcme2为测度模式me2下附加输出项控制系数，该系数基于测度模式me1下控制量适量人工调节，保证附加输出项能够使得车辆-道路系统在此回到稳定状态。

其中，

kcme2ke(se)[-sgn(ev)]为控制器附加输出项，该项结合关联函数值ke(se)，关联函数，能够直观体现车辆-道路系统距离稳定区域的调节难度，因此，通过关联函数值的变化，根据控制难度实时改变控制器附加输出项的值。

当测度模式为me3时，车辆-道路模型由于偏差较大，无法及时调节到稳定状态，为保证车辆安全，此时控制器前轮转角输出值为：

δe＝0(22)

测度模式me3在控制过程中应尽可能避免。

综上所述，对于特征量ev控制器前轮转角输出值为：

解特征量控制器前轮转角输出值为：

所述步骤(5.3)中基于上述特征量ev和特征量所决定的前轮转角输出值，将其通过权重协调相加方式得到车辆动力学模型的前轮转角输入δf。

其中，ke为特征量ev控制器前轮转角输出值协调系数，为特征量控制器前轮转角输出值协调系数。

实施例：

本实施基于matlab(simulink)-carsim平台，搭建可行性仿真系统模型，本实施例的双路协同可拓横向控制方法可行性仿真验证框架如图7所示，并通过两种工况验证本发明提出的双路协同可拓横向控制系统的有效性和稳定性，采用工况为双次变道路径，车辆速度选择100km/h、110km/h和120km/h。控制方法中各参数值整定如下：

轨迹跟踪误差模型中预瞄距离l＝15m；道路附着系数μ＝1.0；车辆纵向速度vx为常数；双路可拓控制器前轮转角输出协调系数ke＝0.471，因为所以对于特征集合其经典域界rec和可拓域界ree分别为

对于特征集合其经典域界和可拓域界分别为

根据零极点配置方法，确定双协同可拓控制系统中测度模式me1和下，状态反馈系数kcme1＝50.12，测度模式me2和下，附加输出项控制系数kcme2＝0.01，

如图8所示，根据双次变道工况在高速工况下响应结果发现，本发明的双协同可拓横向控制系统在高速时变曲率道路具有较高的跟踪精度，控制方法可靠性好。