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原文传递一种基于人机协同策略的车道偏离辅助控制方法

专利名称：	一种基于人机协同策略的车道偏离辅助控制方法
摘要：	本发明提供了一种基于人机协同策略的车道偏离辅助控制方法，包括建立车辆‑道路模型、转向机构动力学模型、以及驾驶员模型；建立基于跨道时间的车道偏离决策；建立基于车辆道路模型以及模型预测的车道偏离辅助控制器；引入协同控制因子动态决策驾驶员与控制器对转向盘的控制主权，并调整辅助转向力矩。本发明采用模型预测控制(MPC)方法设计车道偏离辅助控制器，考虑驾驶员因注意力分散或驾驶经验不足而导致的车道偏离问题，采用跨道时间实现车道偏离预警并决定辅助控制器介入时刻，根据驾驶员状态及车路相对位置关系等决策驾驶员与控制器协同控制因子，实时调整控制主权及辅助系统作用于转向盘上的辅助力矩，更好的防止车道偏离问题。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	天津;12
申请人：	中汽研(天津)汽车工程研究院有限公司
发明人：	华一丁;龚进峰;戎辉;唐风敏;郭蓬;何佳;田涌君;臧晨
专利状态：	有效
申请日期：	2019-07-19T00:00:00+0800
发布日期：	2019-10-15T00:00:00+0800
申请号：	CN201910655259.2
公开号：	CN110329255A
代理机构：	天津滨海科纬知识产权代理有限公司
代理人：	戴文仪
分类号：	B60W30/12(2006.01);B;B60;B60W;B60W30
申请人地址：	300457 天津市滨海新区开发区第二大街62号泰达MSD-B1-1907
主权项：	1.一种基于人机协同策略的车道偏离辅助控制方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：建立车辆-道路模型、转向机构动力学模型、以及驾驶员模型；步骤2：建立基于跨道时间的车道偏离决策；步骤3：建立基于车辆道路模型以及模型预测的车道偏离辅助控制器；步骤4:引入协同控制因子动态决策驾驶员与控制器对转向盘的控制主权，并调整辅助转向力矩。 2.根据权利要求1所述的一种基于人机协同策略的车道偏离辅助控制方法，其特征在于：所述步骤1中建立车辆-道路模型具体包括如下步骤：步骤1.1：车辆上安装视觉系统，根据车辆在道路上的位置，则在预瞄距离ls处车辆的横向位置偏差yL及航向角偏差ψL为 yL＝yCG+lssinψL (1) ψL＝ψv-ψR (2) 其中：yCG为车辆质心距道路中心线的距离，ψv为车辆航向角，ψR为期望航向角；步骤1.2：假设航向角偏差ψL较小，则yL及ψL关于时间t的导数式中：vx、vy分别为车辆纵向速度和侧向速度；r为车辆横摆角速度，ρref为道路曲率；步骤1.3：忽略空气动力学的影响，考虑具有侧向及横摆运动的车辆横向动力学模型：式中，Fyf、Fyr分别为前后轮胎的侧向力，lf、lr分别为前后轴至质心间的距离，IZ为车身绕z轴的转动惯量，m为整车质量，β为车辆质心侧偏角；步骤1.4：在轮胎侧偏角较小时，轮胎侧向力与轮胎侧偏角的关系认为是线性的，即 Fyi＝Ciαi (6) i＝f，r分别代表前、后轮，Ci为轮胎的侧偏刚度，αi为轮胎侧偏角，其近似值为： δf是前轮转角；步骤1.5：将式(6)与式(7)代入式(5)中，得： 3.根据权利要求2所述的一种基于人机协同策略的车道偏离辅助控制方法，其特征在于：所述步骤1中建立转向机构动力学模型具体包括如下步骤：步骤1.1：驾驶员转向力矩与辅助控制系统力矩在转向机构处耦合，而车道偏离辅助系统力矩由EPS助力电动机产生，EPS系统的输出轴子模型为：其中：Je为输出轴的转动惯量；θe为输出轴的旋转角；Be为输出轴的阻尼系数；Tsen为扭杆的反作用转矩；G为减速机构的减速比；TL为电动机的负载转矩；Tw为作用在输出轴上的反作用转矩；步骤1.2：忽略转向系统摩擦阻力，转向阻力矩Tr与前轮侧偏角的关系为： Tr＝2Cfαfηt (10) 式中，ηt为轮胎拖距，转向盘转角与前轮转角满足关系式θc＝Rsδf，θc为转向管柱转角，Rs为前轮与转向机构的减速比；步骤1.3：取状态向量控制输入u＝Tc+Td，；Td与Tc分别为驾驶员转矩及辅助系统提供的转矩，输出yv＝[ayψLyCG]T；以纵向车速为时变参数，则车辆-道路LTV模型可表示为其中：Bu＝[0 0 0 0 0 1/Jc]T Dw＝[0 0 -vx(t) -lsvx(t) 0 0]T 式中： JC、BC分别为转动惯量、阻尼。 4.根据权利要求3所述的一种基于人机协同策略的车道偏离辅助控制方法，其特征在于：所述步骤1中建立驾驶员模型采用由单点最优预瞄加速度模型和神经肌肉系统组成驾驶员模型，车辆稳态增益表达式为式中，k为稳定性因子， 5.根据权利要求3所述的一种基于人机协同策略的车道偏离辅助控制方法，其特征在于：所述步骤2具体包括如下步骤：步骤2.1：设航向角偏差逆时针为正，横向位移偏差位于车道中心线左侧为正，道路宽度为DR，车辆宽度为DV，yll、yrr分别为左侧车轮与左侧车道线的横向距离及右侧车轮与右侧车道线的横向距离步骤2.2：则在直道上跨道时间步骤2.3：当车辆在曲率为ρref的道路上行驶时，可将弯道近似为直道，并等效为存在一个大小为的侧向加速度，对跨道时间的求解转化为求二次方程运算，当左侧车轮偏离左侧车道时，步骤2.4：令： b＝vxsinψL，c＝-yll 步骤2.5：步骤2.6：设定跨道时间预警阈值tLC，ON为0.5s，当跨道时间小于预警阈值时触发车道偏离预警并启动车道偏离辅助系统；同时，为避免辅助系统频繁启动给驾驶员及车辆舒适性带来的负面影响，设定辅助系统关闭阈值tLC，OFF为2s，即认为只有当跨道时间大于关闭阈值时，车辆才完全脱离发生车道偏离的危险. 6.根据权利要求3所述的一种基于人机协同策略的车道偏离辅助控制方法，其特征在于：所述步骤3具体包括如下步骤：步骤3.1：在线性时变系统中，不考虑驾驶员的转矩输入，即认为Td＝0设定采样时间Ts，将系统离散化，获得离散的车辆-道路模型为：其中，下标“t”表示当前时刻，小标“k,t”表示t+kTs时刻.设定预测时域Np、控制时域NC，并有NP≥NC；步骤3.2：为进行模型预测控制器的设计并适当简化计算，作如下假设： (1)式(20)中的状态变量及道路曲率均可测量或可估计； (2)各参数矩阵在预测时域内保持不变，如Ak,t，即： Ak，t＝At，k＝1，2，…，Np (21) 步骤3.3：基于步骤3.2的假设，式(20)可进一步写为：其中：步骤3.4：取Δxp(k+1)＝xp(k+1)-xp(k)，并令x(k+1)＝[Δxp(k+1)Typ(k+1)]T，式(22)可写为：其中：步骤3.5：根据式(23)，在采样点ki处，预测时域NP内状态变量的变化序列为：步骤3.6：根据状态变量序列，可得输出向量序列：步骤3.7：令： Yp＝[y(ki+1\|ki) y(ki+2\|ki) … y(ki+Np\|ki)]T， ΔUp＝[Δu(ki) Δu(ki+1) … Δu(ki+Nc-1)]T 可将上述关系式写为矩阵形式： Yp＝Hx(ki)+MΔUp (24) 其中：步骤3.8：选择控制目标函数步骤3.9：目标函数中第一项反应了系统对控制目标期望值的逼近能力，第二项则反应了对控制量平稳变化的要求，式中，RS为输出向量的期望值，Q为输出向量的加权系数矩阵，为控制输入增量的加权系数；步骤3.10：考虑助力电动机输出转矩的有界性及辅助转矩对车辆舒适性的影响，限制辅助转矩的大小及转矩增量的大小，同时，考虑路面附着条件对车辆稳定性的影响，限制侧向加速的大小 \|ay\|≤0.85μg (26) 式中，μ为路面附着系数，g为重力加速度；步骤3.11：综合上述的目标函数及约束条件，基于动力学模型的车道偏离辅助控制器在各控制周期内需求解如下优化问题 s.t.umin≤u≤umax Δumin≤Δu≤Δumax \|ay\|≤μg 步骤3.12：结合二次规划的标准矩阵及约束条件进行模型预测控制器的求解，得到控制时域内的一系列控制输入增量：步骤3.13：将控制序列中的第一个元素作为实际的控制输入增量作用于系统实现模型预测控制的反馈机制，并在下一控制周期重复上述过程，即可完成MPC控制器的设计。 7.根据权利要求3所述的一种基于人机协同策略的车道偏离辅助控制方法，其特征在于：所述步骤4具体包括如下步骤：步骤4.1：当车道偏离预警未触发时，认为驾驶员正确操纵车辆，车道偏离辅助控制器并不干预驾驶员的正常操纵，此时协同控制因子α＝0，即驾驶员完全掌握控制主权；步骤4.2：当在t时刻触发车道偏离预警时，设定采样区域Δt及驾驶员状态判断阈值Td，thd，如果时，此时认为驾驶员处于疲劳驾驶状态，完全失去对车辆的转向控制，协同控制因子α＝1，即控制器完全掌握车辆控制主权，此时，辅助系统并不受跨道时间关闭阈值控制，直至驾驶员重新恢复转向控制；步骤4.3：当在t时刻触发车道偏离预警时，如果时，认为驾驶员注意力不集中或操纵失误，但仍有部分控制车辆转向的能力，此时，驾驶员与控制器共同拥有转向控制权。 8.根据权利要求7所述的一种基于人机协同策略的车道偏离辅助控制方法，其特征在于：所述步骤4中，协同控制因子α由驾驶员转矩Td、车速vx及预瞄处偏差yL三个变量通过编制模糊规则确定，设定\|Td\|的论域为[0,8]Nm，vx的论域为[60,120]km/h，\|yL\|的论域[0,1]m，各输入变量的模糊子集均为{S，M，L}，分别表示变量的小、中、大三种状态，输入变量均采用三角形隶属度函数，输出变量为协同控制因子α，其论域为[0,1]，模糊子集为{Z，S，M，L，VL}，分别表示零、小、中、大、较大五种状态，模糊规则的制定原则为：当车道偏离预警触发后，\|Td\|越小，驾驶员转向控制不足，需较大的协同控制因子；vx及\|yL\|越大，发生车道偏离的可能性越大，需较大的协同控制因子进行转向纠正。
所属类别：	发明专利