[发明专利]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

摘要

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涉及汽车先进驾驶辅助技术领域，该方法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。本发明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。

主权项

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，其特征在于，该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：(Xg-Xt+Hp)2+(Yg-Yt+Hp)2---(1)]]>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：Fz,f=Mglrlf+lr---(15)]]>Fz,r=Mglflf+lr---(16)]]>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：Fy,f=-Dyisin(Cyiarctan(Ayi-Eyi(Ayi-arctanAyi)))Ayi=Byi.αfi=1---(17)]]>Cyi=a0;Dyi=a1Fz,f2+a2Fz,f;Byi=a3sin(2arctan(Fz,f/a4))CyiDyi;Eyi=a5Fz,f+a6;i=1---(18)]]>Fy,r=-Dyisin(Cyiarctan(Ayi-Eyi(Ayi-arctanAyi)))Ayi=Byi.αri=2---(19)]]>Cyi=a0;Dyi=a1Fz,r2+a2Fz,r;Byi=a3sin(2arctan(Fz,r/a4))CyiDyi;Eyi=a5Fz,r+a6;i=2---(20)]]>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：wΣk=tt+Hc-1||Δδk,t||2---(2)]]>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＜δmax k＝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：minδ{(Xg-Xt+Hp)2+(Yg-Yt+Hp)2+wΣk=tt+Hc-1||Δδk,t||2}---(8)]]>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：δ*=argminδ{(Xg-Xt+Hp)2+(Yg-Yt+Hp)2+wΣk=tt+Hc-1||Δδk,t||2}---(9)]]>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，试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，试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。