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原文传递人机共驾系统中驾驶员与辅助驾驶系统权限转移控制研究

论文题名：	人机共驾系统中驾驶员与辅助驾驶系统权限转移控制研究
关键词：	自动驾驶;权限转移;人机共享路径跟踪控制;模型预测控制;鲁棒控制
摘要：	随着汽车强国战略的推进，汽车智能化逐渐成为整个汽车工业发展的必然趋势。因此，以汽车智能化为导向的自主车辆和半自主车辆目前正成为新兴造车企业与传统汽车厂商共同关注的研究热点。由于交通场景本身的复杂性、动态性以及智能汽车驾驶技术限制，完全自动驾驶在未来很长一段时间内难以实现。与完全自动驾驶相比，在特定场景下的人机共驾半自动驾驶技术已经部分实现商业应用，在目前发展中具备更广泛的应用前景，逐渐成为当前汽车行业中的研究重点。　　当前人机共驾半自动驾驶技术系统针对特定场景进行自动驾驶，驾驶员和自动控制器之间车辆控制权限转移的情况无法避免，主流的权限转移过程为阶跃或线性转移。然而，不同的人类驾驶员具备不同的驾驶特性，因此在权限转移过程中以及控制器主导的驾驶过程中如何考虑驾驶员特性偏好，在满足不同人类驾驶员驾驶偏好的情况下实现平稳的权限转移就成为半自动化驾驶中一个需要重点分析的问题。本文首先基于车辆动力学模型和道路模型，结合驾驶员双点预瞄模型建立人-车-路系统。针对弯道行驶工况下控制器主导和驾驶员主导的两种权限转移需求，结合人-车-路系统分别设计了考虑驾驶员特性的路径跟踪控制器与考虑理想驾驶员特性与不确定性因素的路径跟踪控制器。针对不同应用场景分别基于样条曲线和二阶动态系统研究了权限转移策略，帮助具有不同需求、不同驾驶特性的驾驶员实现平顺的权限转移过程，在车辆权限转移过程中提升路径跟踪精度与车辆行驶平顺性，同时大幅度降低驾驶员的生理和心理负荷，在半自动化驾驶研究中具有理论与实践双重价值。本文的主要研究内容如下：　　(1) 针对控制器主导的车辆控制权限转移，基于线性时变模型预测控制方法设计个性化路径跟踪控制器，并研究个性化柔性权限转移策略。结合车辆动力学模型、道路模型和驾驶员双点预瞄模型建立人-车-路系统，基于该系统和线性时变模型预测控制（MPC）方法，设计考虑驾驶员操纵特性的个性化路径跟踪控制器。研究考虑驾驶员特性的个性化柔性权限转移策略，在调整权限转移时间和过程中考虑驾驶员转向行为特性，通过大曲率弯道路径仿真，验证了所提出的权限转移策略和路径跟踪控制器的有效性。　　(2) 针对驾驶员主导的车辆控制权限转移，基于线性矩阵不等式方法设计考虑不确定性的个性化鲁棒路径跟踪控制器，并研究二阶动态权限转移策略。基于人-车-路系统，通过引入理想驾驶员模型，考虑车辆纵向速度不确定性和车辆控制权限的变化，结合极点配置方式设计个性化鲁棒路径跟踪控制器。通过类比质量-弹簧-阻尼系统，针对车辆纵向速度、道路曲率半径以及驾驶员转向操纵行为，动态调整权限转移过程，使得权限转移过程更加符合驾驶员的实际行驶状况。通过在不同曲率弯道路径的仿真研究，验证了方法的有效性和适用性。　　(3) 驾驶员在环驾驶模拟器试验验证研究。采用高性能主机、罗技方向盘套件、三联屏显示器作为硬件平台，Matlab/Simulink-Prescan 作为软件平台，搭建驾驶模拟器平台。募集不同驾驶经验的志愿者，在人机协同控制权限转移整体框架下进行试验。首先，针对新手驾驶员志愿者，以控制器主导弯道行驶车辆控制权限为试验场景，将所提出的基于线性时变MPC方法的个性化路径跟踪控制器与个性化柔性权限转移策略，与传统权限转移策略对比，验证了所提出方法的有效性。随后，以弯道行驶车辆控制权限转移为试验场景，针对熟练驾驶员志愿者并且以驾驶员主导的情况，对所提出的基于个性化鲁棒路径跟踪控制器和二阶动态权限转移策略进行试验研究，在不同曲率半径道路工况下与传统转移方案进行对比，验证了所提出方法的有效性和适用性。同时，在两类试验过程中都对驾驶员的主观评价结果进行了量化统计，结果表明所提出方法能够改善驾驶员主观驾驶体验。
作者：	林中盛
专业：	机械工程;车辆工程
导师：	王金湘
授予学位：	硕士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2022