一种智能汽车的人机共享转向控制方法转让专利
申请号 : CN202011097200.5
文献号 : CN112319610B
文献日 : 2021-11-19
发明人 : 谢正超 , 李文锋 , 赵晶
申请人 : 华南理工大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种智能汽车的人机共享转向控制方法，其特征在于，包括：分别建立车辆动力学方程、车辆运动学方程和单点预瞄驾驶员转向模型，进而建立全局的人‑车‑路系统模型；
针对所建立的人‑车‑路系统模型进行后续的控制设计，包括确定系统控制目标以及设计智能汽车的人机共享转向系统，所述系统控制目标是保证车辆以最小的侧向误差和航向角误差来跟踪期望路径，满足||z(t)||2＜γ||ω(t)||2，其中，输出性能向量z(t)＝[ye T
ψe] ＝Cx(t)，x(t)为系统的状态向量，C为被控输出矩阵；ye指车辆在预瞄距离ld处与期望路径的侧向误差，其可表示为ye＝yc+ldψe；yc和ψe分别表示车辆当前位置的侧向误差和航向角误差，其中ψe可表示为车辆实际横摆角ψ和期望航向角ψd的差，即ψe＝ψ‑ψd；ρ(σ)指道路曲率，γ为采用共享转向控制器得到的闭环系统对于外部干扰的抑制指标参考值，ω(t)为系统的干扰输入；所述人机共享转向系统的控制输入u(t)＝Kx(t‑τ(t))，其中τ(t)指控制回路中总的时间延迟，为网络诱导延迟、信号传输延迟和执行器延迟之和，并满足0≤τm≤τ(t)≤τM，式中，τm和τM分别代表控制回路中总时间延迟的下界和上界，K代表共享转向控制器的增益矩阵；
通过计算控制输入u(t)＝Kx(t‑τ(t))获得主动转向角，通过人机共享转向系统将所述主动转向角施加于车辆，实现智能汽车路径跟踪与安全行驶。
2.根据权利要求1所述的一种智能汽车的人机共享转向控制方法，其特征在于，所述车辆动力学方程如下：
其中：Fyf＝Fyfl+Fyfr＝2Cfαf，Fyr＝Fyrl+Fyrr＝2Crαr，指前轮转向角；δd和δc分别指驾驶员的方向盘转角和转向系统的主动转向角；Rs指转向系统的传动比；vy和vx分别指车辆的侧向速度和纵向速度；ψ、和 分别指车辆的横摆角、横摆角速度和横摆角加速度；β指车辆的质心侧偏角，其可近似为vy和vx的比值；Fw和lw指车辆受的侧向干扰力及受力点与质心的距离；Iz指车辆的横摆转动惯量；lf和lr分别指车辆质心到前轴和后轴的距离；Fyf表示前轮的总侧偏力，其为前左轮侧偏力Fyfl和前右轮侧偏力Fyfr之和；
Fyr表示后轮的总侧偏力，其为后左轮侧偏力Fyrl和后右轮侧偏力Fyrr之和；Cf和Cr分别指车辆前后轮胎的侧偏刚度；αf表示前轮侧偏角；αr表示后轮侧偏角，m指车辆的质量。
3.根据权利要求1所述的一种智能汽车的人机共享转向控制方法，其特征在于，所述车辆运动学方程如下：
其中，ye指车辆在预瞄距离ld处与期望路径的侧向误差，其可表示为ye＝yc+ldψe；yc和ψe分别表车辆当前位置的侧向误差和航向角误差，其中ψe可表示为车辆实际横摆角ψ和期望航向角ψd的差，即ψe＝ψ‑ψd；ρ(σ)指道路曲率,vy和vx分别指车辆的侧向速度和纵向速度。
4.根据权利要求1所述的一种智能汽车的人机共享转向控制方法，其特征在于，所述单点预瞄驾驶员转向模型如下：
近似为 式中τd＝τd1+τd2， s为拉氏变换算子；驾驶员转向模型在时域的表达式为：
其中，Gh，τd1，τd2和τp分别指驾驶员模型中的驾驶员转角增益，纯时延，神经肌肉时延和预瞄时间；τd＝τd1+τd2， δd和yp分别代表驾驶员转角δd和驾驶员预瞄距离lp处的横向误差yp，其中lp可表示为lp＝τpvx，yp可表示为yp＝ye+(lp‑ld)ψe；s为拉氏变换算子；
分别代表驾驶员转角的一阶导数和二阶导数,vx指车辆的纵向速度。
5.根据权利要求1所述的一种智能汽车的人机共享转向控制方法，其特征在于，所述人‑车‑路系统模型为：
T
式中， ω(t)＝[Fw ρ(σ)]，u(t)＝δc，式中，x(t)为系统的状态向量，ω(t)为系统的干扰输入，u(t)为系统的控制输入，A、B1和B2分别为系统矩阵、干扰输入矩阵和控制输入矩阵,δd和δc分别指驾驶员的方向盘转角和转向系统的主动转向角，Fw和lw指车辆受的侧向干扰力及受力点与质心的距离，vx指车辆的纵向速度，Cf和Cr分别指车辆前后轮胎的侧偏刚度，lf和lr分别指车辆质心到前轴和后轴的距离，m指车辆的质量，Rs指转向系统的传动比，Iz指车辆的横摆转动惯量，Gh指驾驶员模型中的驾驶员转角增益，τd＝τd1+τd2， τd1，τd2分别指驾驶员模型中的驾驶员纯时延和神经肌肉时延，τp指驾驶员模型中的驾驶员预瞄时间。
6.根据权利要求1所述的一种智能汽车的人机共享转向控制方法，其特征在于，所述人机共享转向系统的控制输入u(t)＝Kx(t‑τ(t))中，控制器的增益矩阵K通过求下面两个线‑1
性不等式来获得且它的计算公式为：K＝YW ，在下面两个不等式中，τm、τM、κ和γ是用户根据实际需要给定的正数，P、R1、R2、S1、S2、Q1、Q2、Q3、Q4为适当维数的正定矩阵，M1、M2、W和Y是适当维数的一般矩阵；
式中：
T
Ω6＝[Γ5Γ6]+[Γ5Γ6]
Γ1＝diag(S2+Q3 3(S2+Q3) 5(S2+Q3))，Γ2＝diag(S2+Q4 3(S2+Q4) 5(S2+Q4))Γ3＝diag(Q3 3Q3 5Q3)，Γ4＝diag(Q4 3Q4 5Q4)Γ5＝e1+e11κ，
F1(t)＝[e1 τme5 (τ(t)‑τm)e6+(τM‑τ(t))e7 τme8]，F2＝[e11 e1‑e2 e2‑e4 2(e1‑e5)]F3＝[e2‑e3 e2+e3‑2e6 e2‑e3+6e6‑6e9]，F4＝[e3‑e4 e3+e4‑2e7 e3‑e4+6e7‑6e10]τc＝τM‑τm， 其中n＝1,2,...,12；
A、B1和B2分别为系统矩阵、干扰输入矩阵和控制输入矩阵。
7.根据权利要求1‑6任一所述的一种智能汽车的人机共享转向控制方法，其特征在于：使用得到的共享转向控制器进行智能汽车的在线控制，使得全局系统满足渐近稳定性和期望的性能要求||z(t)||2＜γ||ω(t)||2，其中γ为抑制指标参考值。
说明书 :
一种智能汽车的人机共享转向控制方法
技术领域
背景技术
制执行装置，能够在感知、决策和执行三个方面协助驾驶员操控车辆，是提高汽车主动安全
性、改善驾乘舒适性、减少或避免交通事故发生的有效措施。作为智能汽车的核心技术之
一，人机共享转向控制是指驾驶员和自动化系统均具有对车辆转向功能的在线控制权，是
保证车辆跟踪预期路径的关键技术。在人机共享转向控制技术中，自动化系统通过主动转
向装置或线控转向装置实时地对驾驶员操纵行为进行修正和补偿，以达到改善路径跟踪性
能和减轻驾驶员负担的目的。
Interconnect Network,LIN)等。一方面，车载网络通信具备实现信息资源共享、提高诊断
能力、降低成本、易于扩展和维护等优点，大大促进了汽车智能化、自动化、标准化的发展；
另一方面，车载网络的带宽是有限的，这一事实不可避免地造成诸如网络诱导延迟、数据丢
包、通信拥塞等约束问题，给当前的控制设计带来严峻的挑战。目前，专利号为CN
107323457 B的发明专利中提出了一种基于约束模型预测理论的人机协同的共享转向控制
方法，然而该方法并未考虑系统中的网络诱导延迟因素，这将削弱所设计控制器的性能甚
至导致系统的失稳。
发明内容
升时延通信环境下智能汽车的路径跟踪性能和驾驶员操纵舒适性。
航向角误差来跟踪期望路径，满足||z(t)||2＜γ||ω(t)||2，其中，输出性能向量z(t)＝
T
[ye ψe]＝Cx(t)，x(t)为系统的状态向量，C为被控输出矩阵；ye指车辆在预瞄距离ld处与期
望路径的侧向误差，其可表示为ye＝yc+ldψe；yc和ψe分别表示车辆当前位置的侧向误差和航
向角误差，其中ψe可表示为车辆实际横摆角ψ和期望航向角ψd的差，即ψe＝ψ‑ψd；ρ(σ)指道路
曲率，γ为采用共享转向控制器得到的闭环系统对于外部干扰的抑制指标参考值，ω(t)为
系统的干扰输入；所述人机共享转向系统的控制输入u(t)＝Kx(t‑τ(t))，其中τ(t)指控制
回路中总的时间延迟，其为网络诱导延迟、信号传输延迟、执行器延迟之和，并满足0≤τm≤
τ(t)≤τM，式中，τm和τM分别代表控制回路中总时间延迟的下界和上界，K代表共享转向控制
器的增益矩阵；
横摆角速度和横摆角加速度；β指车辆的质心侧偏角，其可近似为vy和vx的比值；Fw和lw指车
辆受的侧向干扰力及受力点与质心的距离；Iz指车辆的横摆转动惯量；lf和lr分别指车辆质
心到前轴和后轴的距离；Fyf表示前轮的总侧偏力，其为前左轮侧偏力Fyfl和前右轮侧偏力
Fyfr之和；Fyr表示后轮的总侧偏力，其为后左轮侧偏力Fyrl和后右轮侧偏力Fyrr之和；Cf和Cr
分别指车辆前后轮胎的侧偏刚度；αf表示前轮侧偏角；αr表示后轮侧偏角。
期望航向角ψd的差，即ψe＝ψ‑ψd；ρ(σ)指道路曲率。
处的横向误差yp，其中lp可表示为lp＝τpvx，yp可表示为yp＝ye+(lp‑ld)ψe；s为拉氏变换算子；
分别代表驾驶员转角的一阶导数和二阶导数。
益矩阵K通过求下面两个线性不等式来获得且它的计算公式为：K＝YW ，在下面两个不等式
中，τm、τM、κ和γ是用户根据实际需要给定的正数，P、R1、R2、S1、S2、Q1、Q2、Q3、Q4为适当维数的
正定矩阵，M1、M2、W和Y是适当维数的一般矩阵；
性能的同时具有较强的鲁棒性，在时延环境下更具优越性。
附图说明
具体实施方式
的闭环系统。
坐标系原点位于车辆质心。本发明重点关注车辆的侧向动力学及稳定性，忽略车辆的纵向
力行为，在小转角假设下建立车辆动力学方程：
动转向角，单位均为：rad；Rs指转向系统的传动比，单位为1；vy和vx分别指车辆的侧向速度
和纵向速度，单位均为：m/s；ψ、和 分别指车辆的横摆角、横摆角速度和横摆角加速度，单
2
位分别为：rad、rad/s和rad/s ；β指车辆的质心侧偏角，单位为：rad，其可近似为vy和vx的比
值；Fw和lw指车辆受的侧向干扰力及受力点与质心的距离，单位为:N和m；Iz指车辆的横摆转
2
动惯量，单位为：kg·m ；lf和lr分别指车辆质心到前轴和后轴的距离，单位均为：m；Fyf表示
前轮的总侧偏力，其为前左轮侧偏力Fyfl和前右轮侧偏力Fyfr之和，单位均为：N；Fyr表示后轮
的总侧偏力，其为后左轮侧偏力Fyrl和后右轮侧偏力Fyrr之和，单位均为：N；Cf和Cr分别指车
辆前后轮胎的侧偏刚度，单位为：N/rad；αf表示前轮侧偏角，单位为：rad；αr表示后轮侧偏
角，单位为：rad。
ψe可表示为车辆实际横摆角ψ和期望航向角ψd的差，即ψe＝ψ‑ψd；ρ(σ)指道路曲率，单位为：
1/m。
别代表驾驶员转角和驾驶员预瞄距离lp处的横向误差，单位分别为：rad和m，其中lp可表示
为lp＝τpvx，yp可表示为yp＝ye+(lp‑ld)ψe；s为拉氏变换算子。
入矩阵和控制输入矩阵。
T
纵舒适性得到保证。因此，输出性能向量如下：
分别代表控制回路中总时间延迟的下界和上界，K代表控制器的增益矩阵。给定正数τm、τM、κ
和γ，如果存在适当维数的正定矩阵P、R1、R2、S1、S2、Q1、Q2、Q3、Q4，一般矩阵M1、M2、W和Y使得
‑1
下面两个线性不等式同时成立，则控制增益矩阵的计算公式为：K＝YW 。
X表示矩阵X的转置。
器设计条件而定义的任意适当维数矩阵，其意义是为了构建保证系统满足稳定性和性能要
求的充分条件。因此，上述两个线性矩阵不等式(Linear Matrix Inequality,LMI)是期望
控制器存在的一个充分条件且具备可解性，通过相应的LMI工具箱求解上述两个矩阵不等
式便可得到期望的人机共享控制器增益K。
智能汽车路径跟踪与安全行驶。
性能的同时具有较强的鲁棒性，在时延环境下更具优越性。
Iz＝1536.7kg·m ，Cf＝49412N/rad，Cr＝60174N/rad，lf＝1.016m，lr＝1.458m，vx＝10m/s，
ld＝0.5m，Fw＝300N，lw＝0.3m，Gh＝‑2，τd1＝0.10s，τd2＝0.22s，τp＝1.5s，Rs＝22，τm＝
0.001s、τM＝0.039s、κ＝1。γ为采用所述共享转向控制器得到的闭环系统对于外部干扰的
抑制指标参考值，可由用户在容许范围内根据实际需要来调节设定。值得指出的是，本实例
中满足不等式条件成立γ的最小值为γmin＝2.4996，换句话说，只要使用者选择不小于该
值的抑制指标参考值γ即可满足其需求。
涉及J‑turn工况下驾驶员转角对比图，图6为本发明实施例涉及J‑turn工况下驾驶员转角
变化率对比图。从图中可以看出，本发明所述方法可以有效地降低了路径跟踪误差，同时很
好地抑制了驾驶员转向角及其变化率，说明该方法能有效地提升路径跟踪精度和提高驾驶
员操纵舒适性。
思路所做的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围。