改善驾驶员反应延迟的控制器补偿方法与流程

本发明涉及一种改善驾驶员反应延迟的控制器，尤其是一种改善驾驶员反应延迟的控制器补偿方法。

背景技术：

驾驶员模型最初的研究是应用于对车辆操纵稳定性的评价，对于驾驶员驾驶风格以及驾驶员行为特性分析已经成为当前研究热点。随着主动安全技术、ADAS驾驶辅助技术以及自动驾驶技术的兴起，多项技术都是以辅助驾驶员驾驶或者代替驾驶员驾驶车辆为目标。驾驶员是操控车辆的唯一对象，不应该将驾驶员从闭环控制系统中剥离开来进行研究。通过结合驾驶员模型来进行人-车-路的闭环控制研究，不断应用于新技术的发展上，而作为其中重要一环的驾驶员模型，需要对其进行重点研究。

在汽车行驶过程中，驾驶员操控及反应动作与车辆上各执行器或者机械结构相比，在时间上存在很大的延迟问题，这个延迟时间常规情况下是在0.05s-0.15s之间，在现代控制理论中，常规的控制方法，比如PID控制方法在处理此类长延时问题时效果不佳，导致所设计的控制器的控制性能无法达到工程实际中期望的要求。史密斯补偿算法在处理工程实际中长延时问题时效果较为理想，但其对被控对象的数学模型精度要求很高，考虑到驾驶员的反应延迟时间受到多方面条件影响且其模型极为复杂，因此，需要提出并设计一种基于模糊-比例积分-史密斯补偿(Fuzzy-PI-Smith)的新型控制算法以改进传统控制器中由于驾驶员延迟而给系统带来不稳定及控制效果不佳的问题。

技术实现要素：

本发明是要提供一种改善驾驶员反应延迟的控制器补偿方法，该方法基于模糊-比例积分-史密斯补偿(Fuzzy-PI-Smith)的新型控制算法以改进传统控制器中由于驾驶员延迟而给系统带来不稳定及控制效果不佳的问题。

本发明的技术方案是：一种改善驾驶员反应延迟的控制器补偿方法，包括建立驾驶员模型和史密斯预估补偿算法，其具体步骤为：

1.建立驾驶员模型

采用常规的驾驶员预瞄跟踪模型，重点对驾驶员延迟特性进行分析，由驾驶员路径跟踪曲线图可得到侧向位移偏差ε为：

ε＝y(t+T)-Ltanψ-y(t) (1)

(1)式中ψ表示车辆的航向角，L表示前视距离，由于|ψ|<<1，因此上述公式可改写为：

ε＝y(t+T)-Lψ-y(t) (2)

驾驶员通过获取车辆状态信息和道路信息进行转向时，可以将驾驶员的这种预瞄决策到转动方向盘的过程用传递函数表示为：

式(3)中h表示驾驶员比例控制增益系数，τr表示驾驶员微分增益系数，τp为驾驶员纯延时，s表示拉氏变换算子，y(t)是t时刻车辆侧向位移，y(t+T)表示预瞄点在目标路径的侧向位置,δ为车辆方向盘转角；

根据建立的常规驾驶员预瞄跟踪模型以及车辆动力学相关知识，可得方向盘转角对应于y轴侧向位置的传递函数，其公式表达如下：

式(4)中vx为车辆的纵向车速，k2为车辆后轴侧偏刚度，K为横摆角速度增益，Iz为车辆绕z轴的转动惯量，ζ是车辆的相对阻尼比，l、lr分别为车辆轴距以及质心到后轴的距离，ωn则为车辆固有的频率，s表示拉氏变换算子。所建驾驶员模型方向盘转角与侧向位移偏差的相关公式并结合上式可得，预瞄点处的侧向位置偏移量ε对应于y轴侧向位置的传递函数可表示为:

2.史密斯预估补偿算法

根据上述驾驶员模型及其相关公式，采用Fuzzy-PI-Smith预估补偿控制器，由于延迟系统中各子系统在信号和控制动作的传递上不具备一定的实时性，对于系统会产生一定的影响，使得控制器的精确度下降，对于这种延迟现象，在系统的反馈通道上增加对迟延时间的预估补偿，来抵消由于时间延迟而给系统带来的影响，并针对性的设计一种Fuzzy-PI控制器，来处理因史密斯补偿器的预估时间和实际延迟时间不一致造成的影响，并消除系统模型的建模误差，自适应调整过程动态参数；

当系统中没有史密斯补偿时，输出与输入之间的传递函数可表示为：

从式(6)中可以看出，传递函数分母中含有延迟部分，会使得信号在闭环回路中传递存在一定时间的滞后；Fuzzy-PI控制器用传递函数Gc(s)来表示，引入传递函数Gp(s)·(1-e^-τs)作为Simth预估器的传递函数，Gc(s)与Smith预估器并联组成的补偿控制器的传递函数为：

从而可得补偿后的闭环传递函数为：

从上式(8)可知，经过补偿后可以将e^-τs存在延时的部分放在闭环回路之外，也就是对式(3)中的τp进行补偿，其中，e为自然对数，经过Fuzzy-PI对系统的自适应调整，使得整个系统稳定性提升；

Fuzzy-PI-Smith预估补偿控制器基本控制规则为：当输入信号的误差大或者比较大时，选取控制量使得误差可以尽快的减小或者消除；反之误差很小，则选取采用增加系统鲁棒性和稳定性的控制量；若输入信号误差向负方向增大，则选取能够抑制这种负变化的控制量；当模型匹配度较高时，系统经过延迟预估补偿后，时滞在闭环反馈回路之外，只是将控制过程推迟一段时间τ，虽然模糊控制在处理复杂的非线性系统时，具有很强的抗干扰能力和较好的鲁棒性，但是单纯的模糊控制本质上是属于PD控制，不能从根本上消除稳态误差，所以需要结合PI控制方法来抵消模糊控制自身的缺陷；

根据侧向位移偏差公式(5)和史密斯补偿控制框图可得模糊控制器的输入，选取实际车辆侧向位移的偏差与史密斯预估补偿值的差值E和其误差变化率EC作为模糊控制器的输入，输出EO为模糊逻辑运算后的控制参数。

本发明的有益效果是：

本发明采用模糊-比例积分-史密斯补偿(Fuzzy-PI-Smith)的新型控制算法，可以改进传统控制器中由于驾驶员延迟而给系统带来不稳定及控制效果不佳的问题。

附图说明

图1为驾驶员路径跟踪曲线图；

图2为史密斯预估补偿控制框图；

图3为输入输出三维关系图；

图4为不同控制条件下仿真曲线图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

一种改善驾驶员反应延迟的控制器补偿方法，包括以下步骤：

1.建立驾驶员模型

由于在众多的驾驶员模型研究中，常规的驾驶员预瞄跟踪模型结构简单、物理含义清晰，理论相对比较成熟，又由于本发明的重点是对驾驶员延迟特性进行分析。

由图1可得侧向位移偏差ε为：

ε＝y(t+T)-Ltanψ-y(t) (1)

由于ψ表示车辆的航向角，L表示前视距离，由于|ψ|<<1，因此上述公式可改写为：

ε＝y(t+T)-Lψ-y(t) (2)

驾驶员通过获取车辆状态信息和道路信息进行转向时，可以将驾驶员的这种预瞄决策到转动方向盘的过程用传递函数表示为：

式(3)中h表示驾驶员比例控制增益系数，τr表示驾驶员微分增益系数，τp为驾驶员纯延时，s表示拉氏变换算子。y(t)是t时刻车辆侧向位移，y(t+T)表示预瞄点在目标路径的侧向位置,δ为车辆方向盘转角。

根据建立的常规驾驶员预瞄跟踪模型以及车辆动力学相关知识，可得方向盘转角对应于y轴侧向位置的传递函数，其公式表达如下：

式(4)中vx为车辆的纵向车速，k2为车辆后轴侧偏刚度，K为横摆角速度增益，Iz为车辆绕z轴的转动惯量，ζ是车辆的相对阻尼比，l、lr分别为车辆轴距以及质心到后轴的距离，ωn则为车辆固有的频率，s表示拉氏变换算子。所建驾驶员模型方向盘转角与侧向位移偏差的相关公式并结合上式可得，预瞄点处的侧向位置偏移量ε对应于y轴侧向位置的传递函数可表示为:

2.史密斯预估补偿算法

根据上述驾驶员模型及其相关公式，如下图2为本文所设计的Fuzzy-PI-Smith预估补偿控制器，Simith预估补偿器主要是用来对针对工业控制中大延迟问题，预估器的引入可以使得整个控制系统具有更好的鲁棒性。由于延迟系统中各子系统在信号和控制动作的传递上不具备一定的实时性，对于系统会产生一定的影响，使得控制器的精确度下降。对于这种延迟现象，在系统的反馈通道上增加对迟延时间的预估补偿，来抵消这种由于时间延迟而给系统带来的影响。由于Smith补偿算法对于被控对象的模型要求精度很高，而驾驶员又是一个复杂的非线性系统，因此针对性的设计Fuzzy-PI控制器，来处理因史密斯补偿器的预估时间和实际延迟时间不一致造成的影响，并消除系统模型的建模误差，自适应调整过程动态参数。

由图2中可知，当系统中没有史密斯补偿时，输出与输入之间的传递函数可表示为：

从式(6)中可以看出，传递函数分母中含有延迟部分，会使得信号在闭环回路中传递存在一定时间的滞后。Fuzzy-PI控制器用传递函数Gc(s)来表示，引入传递函数Gp(s)·(1-e^-τs)作为Simth预估器的传递函数，Gc(s)与Smith预估器并联组成的补偿控制器的传递函数为：

从而可得补偿后的闭环传递函数为：

从上式(8)可知，经过补偿后可以将e^-τs存在延时的部分放在闭环回路之外，也就是对式(3)中的τp进行补偿，其中，e为自然对数，经过Fuzzy-PI对系统的自适应调整，使得整个系统稳定性有很大提升。

模糊控制器以误差信号以及误差信号变化率为输入并通过相应的模糊控制规则给控制器输出。Fuzzy-PI-Smith控制器控基本控制规则为：当输入信号的误差大或者比较大时，选取控制量使得误差可以尽快的减小或者消除；反之误差很小，则选取采用增加系统鲁棒性和稳定性的控制量。若输入信号误差向负方向增大，则选取能够抑制这种负变化的控制量。当模型匹配度较高时，系统经过延迟预估补偿后，时滞在闭环反馈回路之外，只是将控制过程推迟了一段时间τ。虽然模糊控制在处理复杂的非线性系统时，具有很强的抗干扰能力和较好的鲁棒性，但是单纯的模糊控制本质上是属于PD控制，控制精度不是很理想而且不能从根本上消除稳态误差，所以需要结合PI控制方法来抵消模糊控制自身的缺陷。

根据侧向位移偏差公式(5)和史密斯补偿控制框图2可得模糊控制器的输入，选取实际车辆侧向位移的偏差与史密斯预估补偿值的差值(E)和其误差变化率(EC)作为模糊控制器的输入，输出(EO)为模糊逻辑运算后的控制参数。被控对象的传递函数以及史密斯补偿传部分递函数已经给出，不再赘述。如表1所示为本文所设计的模糊控制规则状态表，图3为模糊控制器输入输出三维关系图。

表1模糊语言规则状态表

3.应用例：

通过在Maltab/Simulink中进行模型建模，将所设计的控制器嵌入驾驶员控制系统中，结合高精度动力学软件Carsim进行联合仿真，为了验证Fuzzy-PI-Smith补偿器的控制效果，在仿真中采用了与只用PID控制器的驾驶员模型进行了仿真结果对比。

仿真用车型为B级轿车，采样步长取0.001s。仿真工况为：选用0.1s作为史密斯补偿器的补偿时间，分别对当驾驶员延迟为0.05s，0.1s以及0.15s三种情况进行仿真，参照ISO-3888-1:1999规定的双移线工况作为参考道路，取其中心路径函数作为输入，车速为80km/h，路面附着系数设置为0.7。仿真结果如图4。

从仿真结果中可以得到结论：

(1)当系统中延迟时间很小时，对控制器的性能的影响也会很小，无论是PID控制器还是Fuzzy-PI-Smith控制器都对系统的稳定性和鲁棒性有着较好的提高。

(2)当延迟时间为0.1s时，即与史密斯补偿控制器输入的目标补偿时间一致，可以看出此时该控制器相较于其他延迟时间或者控制算法下的仿真结果更加收敛，能更好的跟随目标路径。

(3)从不同延迟时间下的仿真结果对比中，可以发现在相同的条件下Fuzzy-PI-Smith预估补偿控制器的控制效果都要优于PID控制器的效果，具有更好的鲁棒性和适应性，表明了本发明所设计的Smith预估补偿器具有良好的补偿控制效果。

通过以上分析，两组数据中Fuzzy-PI-Smith组控制效果更好，在车辆稳定性和操控性能上都具有明显的优势。说明本发明所设计的预估补偿控制器在系统实际延迟和史密斯补偿器的预估延迟时间不一致时，仍能表现出较好的控制性能，在车辆道路跟踪中对于驾驶员延迟问题的解决具有一定的有效性，能够较好的辅助驾驶员跟踪目标路径，同时又可以提高车辆的整体操纵稳定性能。