CN107380161B - 一种辅助驾驶员实现理想行驶轨迹的主动转向控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种辅助驾驶员实现理想行驶轨迹的主动转向控制装置，包括：传感模块，用于采集实时路况环境信息及车辆运行状态信息；控制模块，基于车辆二自由度模型建立行驶场景模型，通过传感模块输入的实时信息预测车辆未来行驶轨迹，并与优秀驾驶员操控下的理想行驶轨迹进行偏差计算，进而在线控转向系统的PID控制环节中采取反馈控制并向执行模块发送补偿信号；执行模块，执行电机通过控制模块发送的补偿信号主动调控控制方向盘总成，执行转向需求。本发明既实现了对方向盘转向控制的主动辅助调整，同时也使得车辆运动轨迹趋于理想。
Description
技术领域
本发明属于汽车主动安全技术领域，具体涉及一种辅助驾驶员实现理想行驶轨迹的主动转向控制装置及方法。
背景技术
目前，随着车辆保有量的逐年增加，城市道路环境也变的愈发复杂，对驾驶员的驾驶技术提出了更高的要求。在常规的驾驶环境中，驾驶员的一般操作包括基本的车道保持和车道变换，其中综合了驾驶员对方向盘、加速踏板及制动踏板三者的协同控制，尤其在转向过程中，大多数驾驶员由于其驾驶技能相对生硬，欠缺娴熟性与经验指导，容易发生转向过度或转向不足等情况，不仅没有实现良好的转向意图，而且使车辆控制面临失稳的危险，其安全性大打折扣。
针对以上问题，近年来，通过对优秀驾驶员转向过程的分析，发现经验丰富的优秀驾驶员在进入弯道前已开始制动并进行转向操作，并且转向时间点也比一般普通驾驶员要早，其实际行驶轨迹也更趋于理想轨迹。
发明内容
本发明针对一般驾驶员由于其驾驶技能相对生疏而在转向过程中容易发生的转向过度或转向不足等问题，提出了一种辅助驾驶员实现理想行驶轨迹的主动转向控制装置，利用环境传感器建立行驶场景模型判断道路行驶区域及车辆运动状态，在识别驾驶员实际操作意图的基础上，将行驶场景模型中规划的理想运动轨迹与驾驶员实际操纵意图引发的汽车未来走行轨迹进行对比，根据轨迹之间的偏差，采用线控转向系统主动对方向盘施加补偿控制。本发明既实现了对方向盘转向控制的主动辅助调整，同时也使得车辆运动轨迹趋于理想。
本发明目的由以下技术方案实现：
一种辅助驾驶员实现理想行驶轨迹的主动转向控制装置，包括：
传感模块，其包括摄像头及传感器，用于采集实时路况环境信息及车辆运行状态信息；
控制模块，其主体部分为线控转向系统，控制模块基于车辆二自由度模型建立行驶场景模型，通过传感模块输入的实时信息预测车辆未来行驶轨迹，并与优秀驾驶员操控下的理想行驶轨迹进行偏差计算，进而在线控转向系统的PID控制环节中采取反馈控制并向执行模块发送补偿信号；
执行模块，包括线控转向系统的转向执行总成及方向盘总成，执行电机通过控制模块发送的补偿信号主动调控控制方向盘总成，执行转向需求。
进一步地，所述车辆二自由度模型用以表征车辆在转弯过程中的运动状态及相应的动力学特性，体现了转向过程涉及的参数以及参数之间的关系，还可以利用其中的某些参数进一步计算得到车辆预测的未来轨迹，二自由度车辆的运动微分方程为：
式中，k1和k2分别为前后车轮的侧偏刚度，为固定值；a和b分别为前、后轴到质心的距离，为固定值；β为质心侧偏角；u为横向速度；ωr为横摆角速度；δ为前轮转角；m为整车质量；IZ为转动惯量；v为侧向速度。
进一步地，所述控制模块的具体工作过程为：
1)建立车辆二自由度模型，基于车辆二自由度模型建立行驶场景模型，通过传感模块输入的实时信息预测车辆未来走行轨迹；
2)建立理想行驶轨迹：
采集优秀的成熟驾驶员驾驶车辆行驶的初始状态数据Si和目标状态数据Sf，涉及的参数包括：
式中，Si和Sf分别表示车辆的初始状态与目标状态；x表示纵向位移；表示纵向速度；表示纵向加速度；y表示横向位移；表示横向速度；表示纵向加速度；
引入函数f(x,y,t)来描述从初始状态Si到目标状态Sf之间的某一条曲线，其中，x表示纵向参数，y表示横向参数，t表示时间，因此，f(x，y，t)表示车辆当前纵向运动状态、横向运动状态随时间变化的规律；
3)将预测车辆未来行驶轨迹与理想行驶轨迹进行偏差计算，得出预测车辆未来行驶轨迹与理想行驶轨迹随时间t的偏差序列；
4)利用线控转向系统，以理想侧向加速度为输入，以车辆前轮转角为输出，实现主动调控方向盘总成以施加补偿或修正，使实际轨迹趋于理想。
更进一步地，所述步骤3)预测车辆未来行驶轨迹与理想行驶轨迹进行偏差计算的方法为：通过所述传感器模块直接得到的车辆当前方向盘转角、车速和侧向加速度信息，以及基于理想行驶轨迹结合车辆二自由度模型计算得到车辆理想的方向盘转角、车速及侧向加速度随时间变化的规律，可以计算两者之间的偏差。
本发明的有益效果在于：为了更直观和清晰的描述驾驶员转向过程，改善驾驶特性以及辅助一般驾驶员实现理想行驶轨迹，本发明引入行驶场景模型、车辆二自由度模型以及线控转向系统等关键技术。通过设计一种辅助驾驶员实现理想行驶轨迹的主动转向控制装置，利用传感器建立行驶场景模型判断道路行驶区域及车辆运动状态，在识别驾驶员实际操作意图的基础上，将行驶场景模型中规划的理想运动轨迹与驾驶员实际操纵意图引发的汽车未来走行轨迹进行对比，根据轨迹之间的偏差，采用线控转向系统主动对方向盘施加补偿控制，使车辆运动轨迹趋于理想，辅助驾驶员提高操控性，进而改善大多数驾驶员在转向过程中易出现的转向过度及转向不足等问题。
附图说明
图1为辅助驾驶员实现理想行驶轨迹的主动转向控制介入流程图；
图2为车体前段搭载视觉等传感器位置示意图；
图3为基于车辆二自由度模型搭建的行驶场景模型示意图；
图4为理想轨迹规划与实际行驶轨迹偏差的获取流程图；
图5为线控转向系统控制流程；
图6为基于逆横向动力学模型的主动调控流程图；
图7为转向过程中的转向不足及转向过度模拟场景图。
具体实施方式
下面将结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：
实施例：
本实施例具体涉及一种辅助驾驶员实现理想行驶轨迹的主动转向控制装置，该装置主要分为以下三个模块：传感模块、控制模块以及执行模块。其中，传感模块的基本组成包括摄像头、转向摆角传感器、车速摆角传感器、制动摆角传感器及摆角传感器等，负责采集实时路况环境及车辆运行状态信息；控制模块的主体部分为线控转向系统，其中，基于车辆二自由度模型建立行驶场景模型，通过传感模块输入实时信息预测车辆未来走行轨迹，并与优秀驾驶员操控下的理性行驶轨迹进行偏差计算，进而在线控转向系统的PID控制环节中采取反馈控制并计算所需电流；执行模块包括线控转向系统的执行电机及方向盘，其中，执行电机通过需求电流的驱动，进而通过齿轮齿条转速器、前轮转向横拉杆及方向盘执行转向需求。
研究表明，如果想要准确描述车辆的动力学状态，需要提供上百个参数，这些参数有些是固定的、有些是可变的、有些是可测的、有些是需要通过二次计算得到的、有些又存在耦合关系，因此，仅通过少量参数很难建立精确的车辆运动学模型。因此，本发明基于车体前段搭载的传感器模块建立行驶场景模型，用于判断道路行驶区域及车辆运动状态；基于转向运动学方程建立车辆二自由度模型，用于规划理想行驶轨迹并计算汽车未来走行轨迹方程及偏差；建立包括方向盘总成、转向执行总成及主控制器的线控转向系统，用于主动调控方向盘施加补偿或修正控制。
本发明中辅助驾驶员实现理想行驶轨迹的主动转向控制介入流程如图1所示，其中：通过在车体前段搭载摄像头及传感器来判断道路行驶区域并采集本车实时运动状态，进而结合车辆二自由度模型规划理想轨迹，并将驾驶员实际操控动作下的汽车未来走行轨迹与之对比，计算偏差，最终采用线控转向系统根据补偿信号主动调控方向盘，使行驶轨迹趋向理想。所述车辆二自由度模型是数学模型，用以表征车辆在转弯过程中的运动状态及相应的动力学特性，包括介入弯道速度与横摆角速度之间的关系，可以侧面反映出车辆的操控稳定性。
本发明中加装于车体前段的摄像头及传感器位置，如图2所示，其中：
摄像头选取的型号为Delphi IFV 250Camera；数量为1个；体积为117*70*46mm；参数为水平45°，纵向29°；安装位置为驾驶舱内后视镜上方；使用用途为识别前方路况及特征。
传感器选取的型号为VD0西门子/3802020-1508Q；数量为1个；长度为100mm；安装位置为车辆变速箱内；使用用途为采集本车运动状态信息。
本发明中基于车辆二自由度模型搭建的行驶场景模型，直接以前轮转角作为输入，并且不考虑转向系统的影响、不考虑地面切向力对轮胎侧偏特性的影响、不考虑悬架的作用、不考虑空气阻力、不考虑轮胎由于载荷变化而引起轮胎特性的变化、只考虑轮胎侧偏特性的线性范围，行驶场景模型如图3所示。
其中，车辆坐标系的横轴与纵轴分别为ay和ax，在某一时刻t，质心速度在Oy轴上的分量为v，在Ox轴上的分量为u；在下一时刻t+Δt，质心速度的大小和方向均发生变化，在Ox轴上分量为Δu-vΔθ，在Oy轴的分量为Δu+vΔθ，除以Δt并取极限，可得车辆的绝对加速度在Ox轴的分量为在Oy轴的分量为
由此，在车辆二自由度模型中可以得出车辆沿y轴方向所受合力及绕质心的力矩和为：
∑Fy＝FY1cosδ+FY2
∑MZ＝aFY1cosδ-bFY2
其中，前轮转角为δ，地面对前轮的侧偏力为FY1，地面对后轮的侧偏力为FY2。由于δ较小，因此可以简化上述计算方程得到车辆二自由度模型，即二自由度车辆的运动微分方程：
式中，k1和k2分别为前后车轮的侧偏刚度，为固定值；a和b分别为前后轴到质心的距离，为固定值；β为质心侧偏角；u为横向速度；ωr为横摆角速度；δ为前轮转角；m为整车质量；IZ为转动惯量；v为侧向速度。
在此引入车辆二自由度模型可以用来描述车辆的一般转向过程，分析转弯过程的动力学特性的运动方程，体现了转向过程涉及的参数以及参数之间的关系，还可以利用其中的某些参数进一步计算得到车辆预测的未来轨迹。
为了规划车辆行驶的理想轨迹，首先采集优秀的成熟驾驶员驾驶车辆行驶的初始状态数据Si和目标状态数据Sf，包括位移、速度、时间、航向角以及前轮偏角等，来建立理想行驶轨迹，涉及的参数包括：
式中，Si和Sf分别表示车辆的初始状态与目标状态；x表示纵向位移；表示纵向速度；表示纵向加速度；y表示横向位移；表示横向速度；表示纵向加速度。
在初始状态与目标状态之间，存在无数种轨迹或路径，但为了找寻哪一条才是合理的理想的运动轨迹，引入函数f(x,y,t)，来描述从状态Si到状态Sf之间的某一条曲线，其中，x表示纵向参数，y表示横向参数，t表示时间，因此，f(x，y，t)表示车辆当前纵向运动状态、横向运动状态随时间变化的规律。
最终，由车辆二自由度模型及理想行驶轨迹规划方法，可以得出预测车辆未来行驶轨迹(不进行补偿或修正情况下车辆的实际行驶轨迹)与理想行驶轨迹随时间t的偏差序列，再利用线控转向系统，根据建立的以车辆侧向加速度为输出量，前轮转向角为输入量的理想横向动力学模型，进行模型反转，即以理想侧向加速度为输入，并以车辆前轮转角为输出，可以实现主动调控方向盘以施加补偿或修正，使实际轨迹趋于理想。车辆二自由度模型给出了车辆在转向过程中的各个动力学参数之间的计算规律；理想行驶轨迹规划处一条以纵向信息、横向信息为参数的随时间变化的函数，将此函数通过车辆二自由度模型的运算，可以得出所需的侧向加速度大小，并与车载传感器采集的信息作比对，计算差值，这个差值通过线控转向系统(包含有PID反馈控制的系统)进行补偿和主动控制。
最终，通过传感器直接得到的当前方向盘转角、车速和侧向加速度信息以及基于理想行驶轨迹结合车辆二自由度模型计算得到理想的方向盘转角、车速及侧向加速度随时间变化的规律可以计算两者之间的偏差，其工作流程如图4所示。在此，车辆的运行状态信息作为线控转向系统PID控制器的输入，其输出为计算所需电流，再由执行电机根据电流的驱动通过齿轮齿条转速器、前轮转向横拉杆及转向轮生成一个转向过程的补偿或修正角度，其工作流程如图5所示。其中，原本横向动力学模型的输入量为前轮转向角，输出量为侧向加速度，但在PID的反馈调节控制环中，为了更为精准的调控车辆转向运动状态，需要以侧向加速度作为输入量，并以前轮转角作为输出量进行补偿或修正控制，因此需要建立车辆逆横向动力学模型，如图6所示。此外，转向过程出现的转向过度及转向不足情况如图7所示。
Claims (3)
1.一种辅助驾驶员实现理想行驶轨迹的主动转向控制装置，其特征在于，包括：
传感模块，其包括摄像头及传感器，用于采集实时路况环境信息及车辆运行状态信息；
控制模块，其主体部分为线控转向系统，控制模块基于车辆二自由度模型建立行驶场景模型，通过传感模块输入的实时信息预测车辆未来行驶轨迹，并与优秀驾驶员操控下的理想行驶轨迹进行偏差计算，进而在线控转向系统的PID控制环节中采取反馈控制并向执行模块发送补偿信号；
所述控制模块的具体工作过程为：
1)建立车辆二自由度模型，基于车辆二自由度模型建立行驶场景模型，通过传感模块输入的实时信息预测车辆未来走行轨迹；
2)建立理想行驶轨迹：
采集优秀的成熟驾驶员驾驶车辆行驶的初始状态数据Si和目标状态数据Sf，涉及的参数包括：
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式中，Si和Sf分别表示车辆的初始状态与目标状态；x表示纵向位移；表示纵向速度；表示纵向加速度；y表示横向位移；表示横向速度；表示纵向加速度；
引入函数f(x,y,t)来描述从初始状态Si到目标状态Sf之间的某一条曲线，其中，x表示纵向参数，y表示横向参数，t表示时间，因此，f(x，y，t)表示车辆当前纵向运动状态、横向运动状态随时间变化的规律；
3)将预测车辆未来行驶轨迹与理想行驶轨迹进行偏差计算，得出预测车辆未来行驶轨迹与理想行驶轨迹随时间t的偏差序列；
4)利用线控转向系统，以理想侧向加速度为输入，以车辆前轮转角为输出，实现主动调控方向盘总成以施加补偿或修正，使实际轨迹趋于理想；
执行模块，包括线控转向系统的转向执行总成及方向盘总成，执行电机通过控制模块发送的补偿信号主动调控控制方向盘总成，执行转向需求。
2.如权利要求1所述的一种辅助驾驶员实现理想行驶轨迹的主动转向控制装置，其特征在于，所述车辆二自由度模型用以表征车辆在转弯过程中的运动状态及相应的动力学特性，体现了转向过程涉及的参数以及参数之间的关系，还可以利用其中的某些参数进一步计算得到车辆预测的未来轨迹，二自由度车辆的运动微分方程为：
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式中，k1和k2分别为前后车轮的侧偏刚度，为固定值；a和b分别为前、后轴到质心的距离，为固定值；β为质心侧偏角；β为横向速度；ωr为横摆角速度；δ为前轮转角；m为整车质量；IZ为转动惯量；v为侧向速度。
3.如权利要求1所述的一种辅助驾驶员实现理想行驶轨迹的主动转向控制装置，其特征在于，所述步骤3)预测车辆未来行驶轨迹与理想行驶轨迹进行偏差计算的方法为：通过所述传感器模块直接得到的车辆当前方向盘转角、车速和侧向加速度信息，以及基于理想行驶轨迹结合车辆二自由度模型计算得到车辆理想的方向盘转角、车速及侧向加速度随时间变化的规律，可以计算两者之间的偏差。
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