[发明专利]一种躲避动障碍物的汽车紧急避撞一体式控制方法

摘要

本发明涉及一种躲避动障碍物的汽车紧急避撞一体式控制方法，其特征在于，该方法是利用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信息、目标点坐标、汽车行驶状态信息，实时优化得出汽车的前轮转角和四个车轮滑移率，进而控制汽车实现避撞；其中，障碍物信息包括由雷达传感器测量获得的障碍物外形轮廓的离散点坐标，汽车行驶状态信息包括由车速传感器测量获得的汽车纵向速度和侧向速度以及由陀螺仪测量获得的横摆角速度；在控制避撞过程中，通过电动助力转向（Electric Power Steering，EPS）力矩补偿模块根据车速、前轮附加转角，确定力矩补偿控制增益，将转向盘突变力矩控制在理想范围内，实现人机和谐的汽车紧急避撞。

主权项

1.一种躲避动障碍物的汽车紧急避撞一体式控制方法，其特征在于，该方法是利用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信息、目标点坐标、汽车行驶状态信息，实时优化得出汽车的前轮转角和四个车轮滑移率，进而控制汽车实现避撞；其中，障碍物信息包括由雷达传感器测量获得的障碍物外形轮廓的离散点坐标，汽车行驶状态信息包括由车速传感器测量获得的汽车纵向速度和侧向速度以及由陀螺仪测量获得的横摆角速度；在控制避撞过程中，通过EPS力矩补偿模块根据车速、前轮附加转角，确定力矩补偿控制增益，将转向盘突变力矩控制在理想范围内，实现人机和谐的汽车紧急避撞；该方法包括以下步骤：步骤1、汽车紧急避撞控制的性能指标设计过程包括如下子步骤：步骤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，H_p为预测时域，(X_t+Hp,Y_t+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(X_g,Y_g)；所述汽车动力学模型为：F_xi＝f_xicos(δ_i)‑f_yisin(δ_i),i∈{1,2,3,4}    (15)F_yi＝f_xisin(δ_i)+f_yicos(δ_i),i∈{1,2,3,4}    (16)其中，F_xi、F_yi分别为四个车轮沿着车身坐标方向的纵向分力与侧向分力；f_xi、f_yi分别为四个车轮沿车轮坐标方向的分力，其中f_xi为四个车轮滑移率和车轮垂直载荷的函数，f_yi为前轮转角和车轮垂直载荷的函数，具体数值可由魔术公式确定；分别为汽车纵向速度和纵向加速度；分别为汽车侧向速度和侧向加速度；分别为汽车横摆角、横摆角速度和横摆角加速度；l_f、l_r分别为汽车质心到前、后轴的距离，l_s为轮距大小的一半；J_z为绕过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的纵向和横向位置；分别为大地坐标系中汽车的纵向和横向速度；δ_i为四个车轮转角，这里汽车为前轮转向，故δ₃＝δ₄＝0；所述魔术公式的参数由实验拟合得出，具体表达式如下：其中，V为当前汽车纵向速度；α_f、α_r分别为前轮侧偏角和后轮侧偏角；F_z,f、F_z,r分别为汽车前、后轴载荷；s_i为汽车四个车轮滑移率；A_xi、B_xi、C_xi、D_xi、E_xi和A_yi、B_yi、C_yi、D_yi、E_yi为实验拟合参数，其中a₀＝1.75；a₁＝0；a₂＝1000；a₃＝1289；a₄＝7.11；a₅＝0.0053；a₆＝0.1925；b₀＝1.57；b₁＝35；b₂＝1200；b₃＝60；b₄＝300；b₅＝0.17；b₆＝0；b₇＝0；b₈＝0.2；步骤1.2、用控制量变化率的二范数作为转向制动平滑指标，体现避撞过程中的执行器的转向制动平滑特性，控制量u为汽车前轮转角δ和汽车四个车轮滑移率s_i i∈{1,2,3,4}，建立离散二次型转向制动平滑指标为：其中，H_c为控制时域，t表示当前时刻，Δu为控制量变化率，w为Δu的权重系数；步骤2、考虑运动障碍物的汽车紧急避撞控制的约束设计过程包括如下子步骤：步骤2.1、设置执行器物理约束，满足执行器要求；利用线性不等式限制前轮转角和四个车轮滑移率的上下限，分别得到转向、制动执行器的物理约束，其数学表达式为：δ_min＜δ_k,t＜δ_max   k＝t,t+1……t+H_c‑1              (3)s_imin＜s_ik,t＜s_imax i∈{1,2,3,4}k＝t,t+1……t+H_c‑1            (4)其中，δ_min为前轮转角下限，δ_max为前轮转角上限，s_imin为四个车轮滑移率下限，s_imax为四个车轮滑移率上限；步骤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，这些信息可由雷达传感器测量获得，其中第j个离散点的坐标表示为(X_j,t,Y_j,t)，t时刻的汽车质心坐标记为(X_k,t,Y_k,t)，可由步骤1.1所述的汽车模型计算得出，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；D_x,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，D_y,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；假定在预测时域内障碍物沿Y方向以恒定速度运动，公式(5)表征了汽车与障碍物N个离散点的接近程度，l值越大，说明汽车与障碍物对应离散点的距离越接近，也就越危险；定义t时刻l值最大的障碍物离散点j为当前采样周期内的危险点，记为(X_j,t,Y_j,t)，在预测时域内基于此危险点对障碍物运动进行预测，迭代关系表示为：其中，(X_j,t‑1,Y_j,t‑1)为危险点在t‑1时刻的坐标；(X_j,k,Y_j,k)为预测时域内k时刻危险点的坐标；通过迭代的方式更新公式(5)中的障碍物离散点坐标，在预测时域内将障碍物的位置变化整合为模型预测控制算法的位置约束；步骤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，实现考虑运动障碍物的汽车紧急避撞控制，其包括如下子步骤：步骤3.1、通过雷达传感器获取障碍物信息，通过车速传感器和陀螺仪获取汽车行驶状态信息，并将获取的障碍物信息和汽车行驶状态信息输入避撞控制器；步骤3.2、利用线性加权法将步骤1.1所述跟踪性能指标和步骤1.2所述转向制动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，该问题要同时满足转向、制动执行器的物理约束和位置约束，且保证紧急避撞系统输入输出符合步骤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)约束条件为公式(3)～(9)步骤3.3、在紧急避撞控制器中，调用SQP算法，求解多目标优化控制问题(10)，得到最优开环控制u^*为：服从于i)汽车动力学模型ii)约束条件为公式(3)～(9)步骤3.4、利用当前时刻最优开环控制u^*(0)进行反馈，实现闭环控制，实现了躲避运动障碍物的汽车紧急避撞控制；步骤4、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，确定力矩补偿控制增益，将转向盘突变力矩控制在理想范围；设计过程包括如下子步骤：步骤4.1、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4.2、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4.3、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MAP图的确定，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；步骤4.4、将EPS力矩补偿控制增益三维MAP图植入EPS控制器中，EPS控制器控制EPS助力电机达到力矩补偿的控制效果。