一种转向盘突变力矩人性化调节的汽车紧急避撞控制方法与流程

本发明涉及汽车先进驾驶辅助
技术领域：
，具体涉及一种转向盘突变力矩人性化调节的汽车紧急避撞控制方法。
背景技术：
：汽车能给人们带来方便与快捷，其行驶安全性已成为全球性的社会问题。为了进一步提高道路交通安全性，帮助驾驶员减少错误操作，近年来以先进驾驶辅助系统(advanceddriverassistancesystems,adas)为代表的智能汽车安全技术逐渐得到重视和发展。汽车紧急避撞系统通过执行器的主动干预，辅助驾驶员调整汽车的运动轨迹，实现避撞。它能够在危急时刻拯救驾乘者的生命，有着良好的市场前景。实时规划并跟踪一条无碰撞最优路径是汽车紧急避撞控制的关键，出于实时性考虑，目前主要采用分层式控制方案，参见文献1【yiqigao,theresalin,davorhrovat,francescoborrelli.predictivecontrolofautonomousgroundvehicleswithobstacleavoidanceonslipperyroads[c].asme2010dynamicsystemsandcontrolconference.2010:265-272.】，上层采用简单模型如质点模型进行路径动态规划，下层采用高精度的汽车动力学模型进行路径跟踪。但路径规划模型过于简单，忽略了实际汽车的非线性特性及道路参数变化等因素，在紧急工况下规划的避撞路径不理想，可能导致路径跟踪失败，参见文献2【jiechaoliu,paramsothyjayakumar,jeffreyl.stein,tulgaersal.astudyonmodelfidelityformodelpredictivecontrol-basedobstacleavoidanceinhigh-speedautonomousgroundvehicles[j].vehiclesystemdynamics,2016,54(11):1-22.】和文献3【andrewgray,yiqigao,t.lin,f.borrelli.predictivecontrolforagilesemi-autonomousgroundvehiclesusingmotionprimitives[c].americancontrolconference.ieee,2012:4239-4244.】。汽车紧急避撞控制离不开转向系统的主动干预。欧洲现有法规规定转向盘与转向车轮之间必须有机械连接，所以主动前轮转向(activefrontsteering,afs)作为今后线控转向(steering-by-wire,sbw)的过渡产品应运而生。afs在改变系统位移传递特性的同时，也会影响转向系统的力传递特性，引起转向盘力矩的突变，参见文献4【sumiosugita,masayoshitomizuka.cancellationofunnaturalreactiontorqueinvariable-gear-ratio[j].journalofdynamicsystemsmeasurement&control,2012,134(2):021019.】和文献5【atsushioshima,xuchen,sumiosugita,masayoshitomizuka.controldesignforcancellationofunnaturalreactiontorqueandvibrationsinvariable-gear-ratiosteeringsystem[c].asme2013dynamicsystemsandcontrolconference.americansocietyofmechanicalengineers,2013-3797,v001t11a003:10pages.】。过大的转向盘突变力矩会加剧驾驶员的紧张心理，容易使驾驶员产生误操作，不利于驾驶安全。适当的转向盘突变力矩却有利于驾驶员感知汽车的姿态变化，并起到警示作用。但驾驶员对转向盘突变力矩的可接受程度却因人而异。技术实现要素：为了解决现有分层式紧急避撞方法存在的在紧急工况下规划的避撞路径不理想而导致避撞过程不安全和主动前轮转向系统导致转向盘突变力矩的技术问题，本发明提供一种转向盘突变力矩人性化调节的汽车紧急避撞控制方法，能够辅助驾驶员实现安全可靠的避撞，在紧急关头拯救驾驶员生命。本发明解决技术问题所采取的技术方案如下：一种转向盘突变力矩人性化调节的汽车紧急避撞控制方法，其是利用植有汽车紧急避撞控制算法的路径动态规划与实时跟踪控制模块根据实时采集的障碍物位置信息、目标点坐标、汽车行驶状态信息，实时优化得出前轮转角，控制汽车实现避撞；在控制避撞过程中，通过植有转向盘突变力矩人性化调节算法的电动助力转向(electricpowersteering,eps)力矩补偿模块根据车速、前轮附加转角，确定补偿控制力矩，将转向盘突变力矩控制在理想范围内，实现转向盘突变力矩人性化调节的汽车紧急避撞；该方法包括如下步骤：步骤1、路径动态规划与实时跟踪控制模块根据实时采集的障碍物位置信息、目标点坐标、汽车行驶状态信息，实时优化得出前轮转角，控制汽车实现避撞；其包括如下子步骤：步骤1.1、汽车紧急避撞控制的性能指标设过程包括计如下子步骤：步骤1.1.1、用预测时域内预测轨迹的终点坐标与目标点坐标误差的二范数作为跟踪性能指标，体现汽车的轨迹跟踪特性，其表达式如下：其中，hp为预测时域，(xt+hp,yt+hp)为预测时域内预测轨迹的终点坐标，由汽车模型迭代获得，避撞时汽车要达到的目标点坐标(xg,yg)；所述汽车动力学模型为：其中，u0为当前汽车纵向速度；为汽车侧向速度；fy,f、fy,r分别为汽车前、后轴的车轮侧向力，由魔术公式获得；分别为汽车横摆角、横摆角速度和横摆角加速度；lf、lr分别为汽车质心到前、后轴的距离；jz是绕汽车质心的铅垂轴的横摆转动惯量；m为汽车质量；x、y分别为大地坐标系中汽车质心位置的横纵坐标；αf、αr分别为前轮侧偏角和后轮侧偏角；δf为汽车前轮转角；fz,f、fz,r分别为汽车前、后轴载荷。上述魔术公式的参数由试验拟合得出，具体表达式如下：其中，i＝1代表汽车前轴，i＝2代表汽车后轴，ayi、byi、cyi、dyi、eyi是试验拟合参数，具体参数由表3所示：表3魔术公式参数取值表a0a1a2a3a4a5a61.750100012897.110.00530.1925步骤1.1.2、用前轮转角变化率的二范数描述避撞过程中的转向平滑特性，控制量为汽车前轮转角，建立离散二次型转向平滑指标为：其中，hc为控制时域，t表示当前时刻，δδ为前轮转角变化率，w为δδ的权重系数；步骤1.2、汽车紧急避撞控制的约束设计过程包括如下子步骤：步骤1.2.1、设置转向系统执行器约束，满足执行器要求；利用线性不等式限制前轮转角的上下限得到转向系统执行器约束，其数学表达式为：δmin＜δk，t＜δmaxk＝t，t+1……t+hc-1(3)其中，δmin为前轮转角下限，δmax为前轮转角上限，hc为控制时域；步骤1.2.2、设置位置约束，保证避撞过程中不会与障碍物碰撞；t时刻障碍物的位置信息可表征为n个离散点的集合，这些信息可由雷达测量获得，其中第j个离散点的坐标表示为(xj,t,yj,t)，t时刻的汽车质心坐标记为(xk,t,yk,t)，可由汽车模型计算得出，位置约束定为其中，a为汽车质心到车头的距离；b为汽车质心到车尾的距离；c为汽车车宽的一半；为以t时刻为起点预测时域内k时刻汽车的横摆角；dx,j,t为障碍物第j个离散点在汽车坐标系中到汽车质心的纵向距离，dy,j,t为障碍物第j个离散点在汽车坐标系中到汽车质心的横向距离；步骤1.3、构建汽车紧急避撞多目标优化控制问题，求解多目标优化控制问题，以动态约束形式制定汽车行驶的不碰撞路径，实现汽车紧急避撞控制，其包括如下子步骤：步骤1.3.1、从雷达和车载传感器获取障碍物信息和汽车行驶状态信息，并将信息输入避撞控制器；步骤1.3.2、利用线性加权法将步骤1.1.1所述跟踪性能指标和步骤1.1.2所述转向平滑指标转化为单一指标，构建汽车紧急避撞多目标优化控制问题，该问题要同时满足步骤1.2.1所述转向系统执行器约束和步骤1.2.2所述位置约束，且保证紧急避撞系统输入输出符合步骤1.1.1所述的汽车动力学模型特性：服从于i)汽车动力学模型ii)约束条件：(3)～(7)步骤1.3.3、在紧急避撞控制器中，调用遗传算法，求解多目标优化控制问题(8)，得到最优开环控制δ*为：服从于i)汽车动力学模型ii)约束条件：(3)～(7)步骤1.3.4、利用当前时刻最优开环控制δ*(0)进行反馈，实现闭环控制，实现了汽车紧急避撞控制；步骤2、设计植有转向盘突变力矩人性化调节算法的eps力矩补偿模块，eps力矩补偿模块根据车速、前轮附加转角，确定补偿控制力矩，将转向盘突变力矩控制在理想范围；其中，前轮附加转角是路径动态规划与实时跟踪控制模块优化出的前轮转角与驾驶员转向输入产生的前轮转角的差值，由afs系统来实现；设计过程包括如下子步骤：步骤2.1、eps力矩补偿模块的设计方法为：选取多名驾驶员进行实车调试，首先通过调试定车速、定前轮附加转角下的力矩补偿控制增益，实验员根据驾驶员的主观感受进行反复调试，保证转向盘突变力矩能够被驾驶员接受；步骤2.2、改变前轮附加转角，实验员调试力矩补偿控制增益使不同前轮附加转角干预下的转向盘突变力矩均可被驾驶员接受，进而确定出该车速下的力矩补偿控制增益；步骤2.3、采用相同的方法确定出不同车速、不同前轮附加转角干预下的力矩补偿控制增益，完成车速、前轮附加转角、力矩补偿控制增益三维数表的确定，使用力矩补偿控制增益三维数表进行力矩补偿控制，将转向盘突变力矩控制在理想范围内，实现转向盘突变力矩人性化调节的汽车紧急避撞。本发明的有益效果是：该方法通过构建多目标优化问题，解决了紧急避撞时路径动态规划与实时跟踪问题，实现了安全最优避撞。通过eps力矩补偿控制器，将转向盘突变力矩控制在驾驶员可接受的范围。本方法以避撞距离最短和平滑转向为优化目标，采用不碰撞约束代替了路径动态规划，能够实现汽车的紧急避撞，并有效提高系统实时性。同时，本方法使用主观评测的方式对eps力矩补偿控制增益进行反复调试，实现了人性化突变力矩调节。附图说明图1是本发明汽车紧急避撞控制方法的原理示意图。图2是汽车与障碍物位置关系示意图。图3是本发明汽车模型图。图4是本发明的eps力矩补偿控制器实验流程。图5是本发明eps力矩补偿控制增益三维map图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。如图1所示，本发明转向盘突变力矩人性化调节的汽车紧急避撞控制方法是：利用植有汽车紧急避撞控制算法的路径动态规划与实时跟踪控制模块1根据实时采集的障碍物位置信息、目标点坐标、汽车行驶状态信息，实时优化得出前轮转角，控制汽车2实现避撞；在控制避撞过程中，通过eps力矩补偿模块3根据车速、前轮附加转角，确定补偿控制力矩，将转向盘突变力矩控制在驾驶员4可接受的理想范围内，实现转向盘突变力矩人性化调节的汽车紧急避撞。本发明中的路径动态规划与实时跟踪控制模块1包括三部分内容：1)汽车紧急避撞控制的性能指标设计；2)考虑运动障碍物的汽车紧急避撞控制的约束设计；3)控制律滚动时域求解。下面以某轿车为平台，具体说明本发明的方法，试验轿车的主要参数如表1所示：表1试验轿车的主要参数在1)部分内容中，汽车紧急避撞控制的性能指标设计包括以下两部分：1.1、用预测时域内预测轨迹的终点坐标与目标点坐标误差的二范数作为跟踪性能指标，体现汽车的轨迹跟踪特性；1.2、利用控制量变化率的二范数作为转向平滑指标，体现转向平滑特性。在1.1部分中，跟踪性能指标以预测时域内预测轨迹的终点坐标与目标点坐标误差的二范数为评价标准，表达式如下：其中，hp为预测时域，(xt+hp,yt+hp)为预测时域内预测轨迹的终点坐标，由汽车模型迭代获得，避撞时汽车要达到的目标点坐标(xg,yg)，即障碍物后方一安全点。在1.2部分中，用前轮转角变化率的二范数描述避撞过程中的转向平滑特性，其中控制量为汽车前轮转角，建立离散二次型转向平滑指标为：其中，hc为控制时域，t表示当前时刻，δδ为前轮转角变化率，w为δδ的权重系数；表2紧急避撞控制器设计参数控制器参数参数值控制器参数参数值hp4δmin-6degw0.5δmax6degts0.5ssimin0hc3simax0.25在2)部分内容中，考虑运动障碍物的汽车紧急避撞控制的约束设计包括两部分：2.1、设置执行器物理约束，满足执行器要求；2.2、设置位置约束，保证避撞过程中不会与障碍物碰撞。在2.1部分中，设置转向系统执行器约束，满足执行器要求；利用线性不等式限制前轮转角的上下限得到转向系统执行器约束，其数学表达式为：δmin＜δk，t＜δmaxk＝t，t+1……t+hc-1(3)其中，δmin为前轮转角下限，δmax为前轮转角上限，hc为控制时域；在2.2部分中，如图2所示，t时刻障碍物的位置信息可表征为n个离散点的集合，这些信息可由雷达测量获得，其中第j个离散点的坐标表示为(xj,t,yj,t)，t时刻的汽车质心坐标记为(xk,t,yk,t)，可由汽车模型计算得出，位置约束定为其中，a为汽车质心到车头的距离；b为汽车质心到车尾的距离；c为汽车车宽的一半；为以t时刻为起点预测时域内k时刻汽车的横摆角,dx,j,t为障碍物第j个离散点在汽车坐标系中到汽车质心的纵向距离，dy,j,t为障碍物第j个离散点在汽车坐标系中到汽车质心的横向距离。在3)部分内容中，控制律滚动时域求解包括以下步骤：3.1、从雷达和车载传感器获取障碍物信息和汽车行驶状态信息，并将信息输入避撞控制器；3.2、利用线性加权法将跟踪性能指标和转向平滑指标转化为单一指标，构建紧急避撞多目标优化控制问题，该问题要同时满足转向系统执行器约束和位置约束，且保证紧急避撞系统输入输出符合汽车动力学模型特性：服从于i)汽车动力学模型ii)约束条件为公式(3)～(7)3.3、在紧急避撞控制器中，调用遗传算法，求解多目标优化控制问题(8)，得到最优开环控制δ*为：服从于i)汽车动力学模型ii)约束条件为公式(3)～(7)3.4、利用当前时刻最优开环控制δ*(0)进行反馈，实现闭环控制；如图3所示，本发明所述的汽车动力学模型为：其中，u0为当前汽车纵向速度；为汽车侧向速度；fy,f、fy,r分别为汽车前轴后轴的车轮侧向力，由魔术公式获得；分别为汽车横摆角、横摆角速度和横摆角加速度；lf、lr分别为汽车质心到前、后轴的距离；jz是绕汽车质心的铅垂轴的横摆转动惯量；m为汽车质量；x、y分别为大地坐标系中汽车质心位置的横纵坐标；αf、αr分别为前轮侧偏角和后轮侧偏角；δf为汽车前轮转角；fz,f、fz,r分别为汽车前后轴载荷。上述魔术公式的参数由试验拟合得出，具体表达式如下：其中，i＝1代表汽车前轴，i＝2代表汽车后轴，ayi、byi、cyi、dyi、eyi是试验拟合参数，具体参数由下表3所示：表3魔术公式参数取值表a0a1a2a3a4a5a61.750100012897.110.00530.1925本发明中的eps力矩补偿模块3的设计方法为：选取30名驾驶员，按照性别、熟练程度分为以下四类：熟练男驾驶员、熟练女驾驶员、不熟练男驾驶员、不熟练女驾驶员。驾驶员按照预先分类分别进行实车调试，调试流程如图4所示，首先将车速定为60km/h，前轮附加转角定为3deg，实验员根据驾驶员的对转向盘突变力矩接受程度的反馈信息，反复调试突变力矩补偿控制增益，当驾驶员感觉突变力矩过大时，实验员将力矩补偿控制增益降低，当驾驶员感觉突变力矩过小时，实验员则将力矩补偿控制增益调大，最终保证转向盘突变力矩能够被驾驶员所接受，并记录此时的力矩补偿控制增益数值；其次，车速仍定为60km/h，前轮附加转角范围为-6deg到6deg，间隔为2deg，由于汽车转向时左右两侧是对称的，前轮附加转角相同幅值情况下左右两侧产生的转向盘突变力矩是相同的，因此只需调整前轮附加转角范围为0deg到6deg下的力矩补偿控制增益即可。试验时实验员根据驾驶员对转向盘突变力矩的接受程度调试0deg到6deg范围内各个转角干预下的力矩补偿控制增益，使各前轮附加转角干预下的转向盘突变力矩均被驾驶员接受，进而确定出车速60km/h不同转角干预下的力矩补偿控制增益，并记录力矩补偿控制增益的具体数值；最后，采用相同的方法调试出不同车速不同转角干预下的力矩补偿控制增益，车速范围为10km/h到100km/h，车速间隔为20km/h，最终确定出车速、前轮附加转角、力矩补偿控制增益的三维数表，图5是本发明eps力矩补偿控制增益三维map图。当前第1页12