CN109606362A - 一种基于道路曲率的可拓前馈车道保持控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于道路曲率的可拓前馈车道保持控制方法，步骤1，建立车辆二自由度动力学模型；步骤2，根据二次多项式进行车道线拟合计算；步骤3，设计前馈可拓控制器；包括：步骤3.1前馈可拓控制器特征量和域界划分；步骤3.2计算前馈关联函数；步骤3.3前馈模式识别；步骤3.4计算前馈可若控制器输出量；步骤4，设计下层可拓控制器；包括：步骤4.1，下层可拓特征量提取和域界划分；步骤4.2，计算下层可拓控制器关联函数；步骤4.3，下层测度模式识别；步骤4.4，输出下层控制器；步骤5，计算控制量输出。本发明将可拓控制运用到智能汽车车道保持控制中，使得智能汽车跟踪车道线不仅跟踪位置精度达到较高要求，同时保证运动状态具有更好的稳定性。

Description

一种基于道路曲率的可拓前馈车道保持控制方法

技术领域

本发明属于智能汽车控制技术领域，特别涉及一种基于道路曲率的可拓前馈车道保持控制方法。

背景技术

为满足安全、高效、智能化交通发展的要求，智能汽车成为其发展和研究的重要载体和主要对象，尤其是电动智能汽车对于改善环境污染、提高能源利用率、改善交通拥挤问题有着很大作用。其中，智能汽车在道路行驶过程中，车道保持能力逐渐成为关注的热点之一，尤其是弯道保持和高速车道保持性能。

智能汽车车道保持控制基于普通车辆平台，架构计算机、视觉传感器、自动控制执行机构以及信号通讯设备，实现自主感知、自主决策和自主执行操作保证安全行驶功能。常见车辆多为前轮驱动，通过调节前轮转角保证车辆横向控制精度和车辆行驶的安全性稳定性。车道保持基于摄像头等视觉传感器，通过车道线检测提取车道线信息，同时获取车辆在车道中的位置，确定下一时刻需要执行的前轮转角。具体控制方式主要有两种：预瞄式参考系统和非预瞄式参考系统，预瞄式参考系统主要以车辆前方位置的道路曲率作为输入，根据车辆与期望路径之间的横向偏差或航向偏差为控制目标，通过各种反馈控制方法设计对车辆动力学参数鲁棒的反馈控制系统，如基于雷达或摄像头等视觉传感器的参考系统。非预瞄式参考系统根据车辆附近的期望路径，通过车辆运动学模型计算出描述车辆运动的物理量，如车辆横摆角速度，然后设计反馈控制系统进行跟踪，此发明基于预瞄式控制方法，获取前方车辆运行点处的多个期望车辆状态，完成多状态反馈的可拓车道保持控制方法的设计。

发明内容

从目前主要研究内容看，智能汽车大弯道和高速下车道保持控制精度和稳定性是研究的热点，本发明针对高速下智能汽车大弯道大曲率下车道保持的控制精度问题，提出一种基于道路曲率的可拓前馈车道保持控制方法。

本发明将可拓控制方法运用到智能汽车车道保持控制方法中，保证车辆运动过程中始终在车道范围内运动。车道保持的控制目标是保证车辆运动过程中车辆距离左侧车道线和右侧车道线的距离相等，以及航向偏差为0。考虑到智能汽车在半径较小的大弯道车道处，车道偏离问题严重，本发明基于道路变化曲率，设计一种前馈式可拓车道保持控制方法，上层前馈可拓控制器作为下层基于偏差的可拓控制的前馈补偿量，可以提高车辆在大弯道运动过程中的保持精度。

本发明的有效效益为：

(1)主要考虑了车道为大曲率弯道，在原有的基于偏差的可拓控制器基础上增加了基于偏差的前馈可拓控制器，提高了车辆在经过大弯道时的响应速度，减小稳态误差和超调量。

(2)创新性的将可拓控制运用到智能汽车车道保持控制中，使得智能汽车跟踪车道线不仅跟踪位置精度达到较高要求，同时保证运动状态具有更好的稳定性，尤其是针对高速运动下的大弯道车道保持具有更加突出的表现。

附图说明

图1：基于道路曲率的前馈可拓车道保持控制方法框图；

图2：二自由度车辆动力学模型；

图3：轨迹跟踪预瞄偏差动力学模型；

图4：前馈可拓集合划分；

图5：多维可拓集合区域划分图；

图6：前馈可拓控制器测度模式M_{upper_1}下输出计算框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示的基于道路曲率的前馈可拓车道保持控制方法框图，本发明基于道路曲率的前馈可拓车道保持控制方法包括如下步骤：

Step1:建立车辆二自由度动力学模型

本发明采用车辆动力学模型为二自由度模型，其示意图如图2所示。车辆整车质量为M，车辆绕质心(CG)z轴的转动惯量为I_z，前后轴距离质心的距离分别为l_f、l_r，v_x、v_y分别为车辆沿x轴和y轴的纵向速度和侧向速度，β、r分别为质心侧偏角和横摆角速度，F_yfl、F_yfr、F_yrl、F_yrr分别为四个车轮受到的侧向力，此处定义F_yf、F_yr分别为前轴和后轴轮胎受到的侧向合力，表示为F_yf＝F_yfl+F_yfr、F_yr＝F_yrl+F_yrr，前轮转角δ_f调节车辆行驶方向，δ_f作为车辆二自由度模型的输入参数，此处假设车辆纵向速度v_x为常数，左右车轮的侧偏角相同，I_z为绕质心的转动惯量。则车辆二自由度动力学模型数学方程可以表示为：

前后轮胎侧向力F_yf、F_yr与前后轮轮胎侧偏角α_f、α_r的关系为：

F_yf(t)＝c_fα_f(t)F_yr(t)＝c_rα_r(t) (2)

其中，c_f、c_r为前后轮胎侧偏刚度，在轮胎工作于线性区时，其值为定值。

前后轮胎侧偏角α_f、α_r可表示为：

将式(2)和(3)代入式(1)中，可以得到方程：

其中，

将其写成状态空间方程形式：

状态量x＝[β,r]^T，且u＝δ_f (6)

Step2:车道线拟合计算

车道线拟合采用二次多项式拟合，根据道路曲率值ρ和车辆摄像头距离左右车道线的距离D_L、D_r，可得到弯道时车道线拟合方程：

其中，ρ为道路曲率，D_L、D_r为车辆摄像头距离左右车道线的距离，为车道线航向角，y_L、y_r分别表示左侧车道线和右侧车道线位置。

考虑到车辆的航向偏差角范围在-1rad到1rad之间，通过设置参数范围将车道线曲率识别范围设置在-0.12/m到0.12/m之间。

Step3:上层前馈可拓控制器设计

1)前馈可拓控制器特征量和域界划分

车辆在通过弯道时，车道曲率对于车辆控制的干扰较大，因此上层前馈可拓控制器选择道路曲率ρ及其变化率作为特征量，并构成前馈可拓特征状态集合根据可拓控制原理，将前馈可拓特征状态集合划分为三个区域：经典域、可拓域和非域。如图4所示为前馈可拓特征量域界划分图。根据国际道路设计标准，主干道最小转弯半径为20～30m，则对应曲率最大为0.033～0.05m^-1，其次考虑到车量在主干道运行速度为中高速，为保证车辆运动的安全性和地面附着要求，可拓域曲率范围最大不超过0.05m^-1。

上层可拓控制器特征集合域界可以表示为：

经典域

ρ_om和分别为表示道路曲率及其变化率对应经典域边界值。

可拓域

其中，ρ_m、分别表示道路曲率及其变化率对应可拓域边界值。

非域为整个可拓集合中除去经典域和可拓域剩余的集合区域。

2)前馈关联函数计算

关联函数值表征了特征量状态距离期望态点的远近，即体现了系统特征状态量转变为最优状态的困难程度，对于系统控制过程具有监控稳定性程度的作用。

上层可拓控制器关联函数

上层可拓控制器特征量为道路曲率ρ，最佳道路条件为直线道路，即ρ＝0，且所以上层可拓控制器的最佳特征状态点为S_ff0＝(0,0)，则车辆在车道行驶过程中通过车道线检测得到的实时道路曲率状态

经典域可拓距：

可拓域可拓距：

实时特征量与最优状态点的可拓距：

其中，k_ρ1和k_ρ2为可拓距的加权系数。

则前馈关联函数K_upper(S)满足如下关系：

当S_ff∈R_{upper_os}时，

K_upper(S)＝1-|S_ffS_ff|/|M_{upper_0}| (13)

否则，

所以上层关联函数K_upper(S)为：

3)前馈模式识别

若K_upper(S)≥0，则该状态为测度模式M_{upper_1}；

若-1≤K_upper(S)<0，则该状态为测度模式M_{upper_2}；

若K_upper(S)<-1，则该状态为测度模式M_{upper_3}。

4)前馈可若控制器输出量

如图6所示，在测度模式M_{upper_1}时，此时道路曲率较小，车道线较为平滑，处于稳定状态，输出控制量为：

δ_ff＝-K_{upper_CM1}S (16)

其中，K_{upper_CM1}为反馈增益系数，其值为[K_{upper_c1} K_{upper_c2}]^T。其中，K_{upper_c1}为对应道路曲率ρ反馈增益系数，K_{upper_c2}为对应道侣曲率变化率反馈增益系数，S为实时特征状态量，其值为

在测度模式M_{upper_2}时，此时道路曲率处于较大范围，车道线存在较大弯道，处于临界稳定状态，输出控制量为：

δ_ff＝-K_{upper_CM1}S+K_{upper_C}·K_upper(S)·[sgn(ρ)] (17)

其中，K_{upper_C}为附加项系数，sgn(ρ)为符号函数，满足如下关系：

在测度模式M_{upper_3}时，此时道路曲率过大，已经超过国家道路规范标准，一般不会涉及到，此时控制器输出不考虑，其值保持为0。

综上所述，上层前馈可拓控制器输出控制量δ_ff表示为：

Step4下层可拓控制器设计

1)下层可拓特征量提取和域界划分

下层可拓控制器选择预瞄点横向位置偏差e_L，航向偏差由此构成二维特征状态集合，记做对应的轨迹跟踪预瞄偏差动力学模型如图3所示。对于自动驾驶汽车横向控制而言，控制目标为保证车辆在既定轨迹上保持车辆与目标轨迹之间横向位置偏差和航向偏差为零，下层可拓控制器特征集合区域划分如图5所示。

根据可拓控制理论，确定各个特征量的经典域区域和可拓域区域，可以分别表示为：

经典域

其中，e_Lom和分别表示预瞄点处横向位置偏差e_L、航向偏差经典域边界值。

可拓域

其中，e_Lm和分别表示预瞄点处横向位置偏差e_L、航向偏差可拓域边界值。

此外，非域为可拓集合中除去经典域和可拓域剩余的区域。

2)计算下层可拓控制器关联函数

对于自动驾驶汽车横向控制而言，控制目标为保证车辆在既定轨迹上保持车辆与目标轨迹之间横向位置偏差和航向偏差为零，所以特征量最佳状态为S_fb＝(0,0)。

在车辆运动过程中，实时特征状态量记做那么实时状态量与最佳状态点的加权可拓距为：

其中，k₁和k₂分别为特征量e_L、加权系数，通常可以都选取1作为加权系数。

经典域可拓距为：

可拓域可拓距为：

如果实时特征状态量位于经典域R_os中，则关联函数为：

K_low(S)＝1-|SS_fb0|/M_o (25)

否则，

K_low(S)＝(M_o-|SS_fb0|)/(M-M_o) (26)

所以，关联函数可以表示为：

3)下层测度模式识别

根据上述关联函数值对系统特征量模式识别，模式识别规则如下所示：

IFK_low(S)≥0,THEN实时特征状态量处于经典域中，测度模式记做M_{low_1}；

IF-1≤K_low(S)<0,THEN实时特征状态量处于可拓域中，测度模式记做M_{low_2}；

ELSE实时特征状态量处于非域中，测度模式记做M_{low_3}。

4)下层控制器输出

当测度模式为M_{low_1}时，车辆-道路系统处于稳定状态，此时控制器前轮转角输出值为：

δ_fb＝-K_lowCM1S (28)

其中，K_lowC为测度模式M_{low_1}基于特征量S的状态反馈系数，K_lowCM1＝[K_{low_c1} K_{low_c1}]^T本文采用极点配置方法选择状态反馈系数，其中，K_{low_c1}为对应特征量横向值偏差e_L反馈增益系数，K_{low_c1}为对应特征量航向偏差反馈增益系数，S值为

当测度模式为M_{low_2}时，系统处于临界失稳状态，属于可调范围内，可以通过增加控制器附加输出项，将系统重新调节到稳定状态，控制器前轮转角输出值为：

δ_fb＝-K_upperCM1{S+K_lowC·K_low(S)·[sng(S)]} (29)

K_lowC为测度模式M_{low_2}下附加输出项控制系数，该系数主要基于测度模式M_{low_1}下控制量适量人工调节，保证附加输出项能够使得系统在此回到稳定状态。

其中，

K_lowC·K_low(S)·[sgn(S)]为控制器附加输出项，该项结合了下层关联函数值K_low(S)，关联函数体现了车辆在车道爆出中沿车道中心线运动的调节难度，因此，通过关联函数值的变化，根据控制难度实时改变控制器附加输出项的值。

当测度模式为M_{low_3}时，车辆由于距离车道中心线偏差较大，无法及时调节到稳定状态，为保证车辆安全，此时控制器前轮转角输出值为：

δ_fb＝0 (31)

测度模式M_{low_3}在控制过程中应尽可能避免。

因此，下层可拓控制器对于特征量控制器前轮转角输出值为：

Step5计算控制量输出

基于道路曲率的可拓前馈车道保持控制器输出控制量δ_f为：

δ_f＝δ_ff+δ_fb (33)

将上述控制器的输出量反馈至车辆模型，实时调节模型中的相关参数，实现车辆能够实时调节轨迹跟踪状况。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于道路曲率的可拓前馈车道保持控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，建立车辆二自由度动力学模型；

步骤2，根据二次多项式进行车道线拟合计算；

步骤3，设计前馈可拓控制器；包括：

步骤3.1，前馈可拓控制器特征量和域界划分；

步骤3.2，计算前馈关联函数；

步骤3.3，前馈模式识别；

步骤3.4，计算前馈可若控制器输出量

步骤4，设计下层可拓控制器；包括如下步骤：

步骤4.1，下层可拓特征量提取和域界划分；

步骤4.2，计算下层可拓控制器关联函数；

步骤4.3，下层测度模式识别；

步骤4.4，输出下层控制器；

步骤5，计算控制量输出。

2.根据权利要求1所述的一种基于道路曲率的可拓前馈车道保持控制方法，其特征在于，步骤1的具体实现包括：

车辆整车质量为M，车辆绕质心(CG)z轴的转动惯量为I_z，前后轴距离质心的距离分别为l_f、l_r，v_x、v_y分别为车辆沿x轴和y轴的纵向速度和侧向速度，β、r分别为质心侧偏角和横摆角速度，F_yfl、F_yfr、F_yrl、F_yrr分别为四个车轮受到的侧向力，此处定义F_yf、F_yr分别为前轴和后轴轮胎受到的侧向合力，表示为F_yf＝F_yfl+F_yfr、F_yr＝F_yrl+E_yrr，前轮转角δ_f调节车辆行驶方向，δ_f作为车辆二自由度模型的输入参数，此处假设车辆纵向速度v_x为常数，左右车轮的侧偏角相同，I_z为绕质心的转动惯量；则车辆二自由度动力学模型数学方程可以表示为：

前后轮胎侧向力F_yf、F_yr与前后轮轮胎侧偏角α_f、α_r的关系为：

F_yf(t)＝c_fα_f(t)F_yr(t)＝c_rα_r(t) (2)

其中，c_f、c_r为前后轮胎侧偏刚度，在轮胎工作于线性区时，其值为定值；

前后轮胎侧偏角α_f、α_r可表示为：

将式(2)和(3)代入式(1)中，可以得到方程(4)：

其中，

将(4)写成状态空间方程形式：

状态量x＝[β,r]^T，且u＝δ_f。

3.根据权利要求1所述的一种基于道路曲率的可拓前馈车道保持控制方法，其特征在于，步骤2的具体实现包括：

根据道路曲率值ρ和车辆摄像头距离左右车道线的距离D_L、D_r，得到弯道时车道线拟合方程：

其中，ρ为道路曲率，D_L、D_r为车辆摄像头距离左右车道线的距离，为车道线航向角，y_L、y_r分别表示左侧车道线和右侧车道线位置。

4.根据权利要求1所述的一种基于道路曲率的可拓前馈车道保持控制方法，其特征在于，步骤3.1的具体实现包括：

选择道路曲率ρ及其变化率作为特征量，并构成前馈可拓特征状态集合根据可拓控制原理，将前馈可拓特征状态集合划分为三个区域：经典域、可拓域和非域；将上层可拓控制器特征集合域界表示为：

经典域

可拓域

非域为整个可拓集合中除去经典域和可拓域剩余的集合区域。

5.根据权利要求4所述的一种基于道路曲率的可拓前馈车道保持控制方法，其特征在于，步骤3.2的具体实现包括：

设上层可拓控制器特征量为道路曲率ρ，最佳道路条件为直线道路，即ρ＝0，且将上层可拓控制器的最佳特征状态点为S_ff＝(0,0)，则车辆在车道行驶过程中通过车道线检测得到的实时道路曲率状态

计算经典域可拓距：

计算可拓域可拓距：

计算实时特征量与最优状态点的可拓距：

其中，k_ρ1和k_ρ2为可拓距的加权系数；

则前馈关联函数K_upper(S)满足如下关系：

当S_ff∈R_{upper_os}时，

K_upper(S)＝1-|S_ffS_ff0|/|M_{upper_0}|

否则，

所以上层关联函数K_upper(S)为：

6.根据权利要求5所述的一种基于道路曲率的可拓前馈车道保持控制方法，其特征在于，步骤3.3的具体实现包括：

若K_upper(S)≥0，则该状态为测度模式M_{upper_1}；

若-1≤K_upper(S)<0，则该状态为测度模式M_{upper_2}；

若K_upper(S)<-1，则该状态为测度模式M_{upper_3}；

步骤3.4的具体实现包括：

在测度模式M_{upper_1}时，此时道路曲率较小，车道线较为平滑，处于稳定状态，输出控制量为：

δ_ff＝-K_{upper_CM1}S

其中，K_{upper_CM1}为反馈增益系数，其值为[K_{upper_c1} K_{upper_c2}]^T，S为实时特征状态量，其值为

在测度模式M_{upper_2}时，此时道路曲率处于较大范围，车道线存在较大弯道，处于临界稳定状态，输出控制量为：

δ_ff＝-K_{upper_CM1}S+K_{upper_C}·K_upper(S)·[sgn(ρ)]

其中，K_{upper_C}为附加项系数，sgn(ρ)为符号函数，满足如下关系：

在测度模式M_{upper_3}时，此时道路曲率过大，此时控制器输出不考虑，其值保持为0；

因此，将上层前馈可拓控制器输出控制量δ_ff表示为：

7.根据权利要求1所述的一种基于道路曲率的可拓前馈车道保持控制方法，其特征在于，步骤4.1的实现包括：

设下层可拓控制器选择预瞄点横向位置偏差e_L，航向偏差由此构成二维特征状态集合，记做

根据可拓控制理论，确定各个特征量的经典域区域和可拓域区域，并分别表示为：

经典域

可拓域

8.根据权利要求7所述的一种基于道路曲率的可拓前馈车道保持控制方法，其特征在于，步骤4.2的实现包括：

在车辆运动过程中，实时特征状态量记做那么实时状态量与最佳状态点的可拓距为：

经典域可拓距为：

可拓域可拓距为：

如果实时特征状态量位于经典域R_os中，则关联函数为：

K_low(S)＝1-|SS_fb0|/M_o

否则，

K_low(S)＝(M_o-|SS_fb0|)/(M-M_o)

所以，关联函数可以表示为：

9.根据权利要求8所述的一种基于道路曲率的可拓前馈车道保持控制方法，其特征在于，步骤4.3的实现包括：

根据关联函数值对系统特征量模式识别，模式识别规则如下所示：

IFK_low(S)≥0,THEN实时特征状态量测度模式M_{low_1}；

IF-1≤K(S)<0,THEN实时特征状态量测度模式M_{low_2}；

ELSE测度模式M_{low_3}；

步骤4.4的实现包括：

当测度模式为M_{low_1}时，车辆-道路系统处于稳定状态，此时控制器前轮转角输出值为：

δ_fb＝-K_lowCM1S

其中，K_lowCM1为测度模式M_{low_1}基于特征量S的状态反馈系数，K_lowCM1＝[K_{low_c1} K_{low_c1}]^T，采用极点配置方法选择状态反馈系数，S值为

当测度模式为M_{low_2}时，系统处于临界失稳状态，属于可调范围内，可以通过增加控制器附加输出项，将系统重新调节到稳定状态，控制器前轮转角输出值为：

K_lowC为测度模式M_{low_2}下附加输出项控制系数，该系数主要基于测度模式M_{low_1}下控制量适量人工调节，保证附加输出项能够使得系统在此回到稳定状态；

其中，

K_lowC·K_low(S)·[sgn(S)]为控制器附加输出项，该项结合了下层关联函数值K_low(S)，关联函数体现了车辆在车道爆出中沿车道中心线运动的调节难度，因此，通过关联函数值的变化，根据控制难度实时改变控制器附加输出项的值；

当测度模式为M_{low_3}时，车辆由于距离车道中心线偏差较大，无法及时调节到稳定状态，为保证车辆安全，此时控制器前轮转角输出值为：

δ_fb＝0

因此，下层可拓控制器对于特征量控制器前轮转角输出值为：

10.根据权利要求1所述的一种基于道路曲率的可拓前馈车道保持控制方法，其特征在于，所述步骤5的控制量输出为：δ_f＝δ_ff+δ_fb。