CN111409695A - 用于智能汽车的线控转向人机共享控制方法及其智能汽车 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于智能汽车的线控转向人机共享控制方法及其智能汽车，属于智能汽车的驾驶辅助技术领域。所述方法包括：根据驾驶员操作转角和控制器输出转角，设计人机控制权动态分配系数；设计驾驶权限为0时的自动驾驶模式；设计驾驶权限为1时的驾驶员操控模式；设计驾驶权限处于0和1之间时的人机共享控制模式，且此时对汽车的路感电机输出的转向阻力矩增加附加力矩。本发明通过操作权限和控制器的转向动作，能够结合驾驶员的主动操作意图来控制车辆实际换道行驶轨迹，保持驾驶员在环操作，同时对转向阻力矩增加附加力矩，以保障驾驶员在环操作的安全性。

Description

用于智能汽车的线控转向人机共享控制方法及其智能汽车

技术领域

本发明涉及智能汽车高级辅助驾驶技术领域中的一种控制方法及其采用所述控制方法的智能汽车，具体涉及一种用于智能汽车的线控转向人机共享控制方法及其采用所述控制方法的智能汽车。

背景技术

随着智能汽车辅助技术的高速发展，辅助驾驶系统逐渐取代驾驶员功能，在车辆主动控制中扮演重要的角色。

线控转向系统因取消了转向盘到转向器之间的机械连接，转向模块由电机直接驱动转向器控制车辆的转向，导致路感信息无法直接传递给驾驶员，转向路感需由路感模块模拟产生，转向传动比可以自由设计而且摆脱了空间布置的限制，非常适合公路行驶的车辆。

换道避障系统是智能汽车的关键技术之一，主要用于在智能汽车主动驾驶过程中对车辆行驶前方障碍物距离检测和判断，控制车辆横向运动进行主动避障。该类型主动避障系统通过感知层识别行驶环境信息，通过决策层选择控制动作，通过执行层完成控制操作。此时，车辆控制系统已经成为等同于驾驶员的一种行为主体，可以快速的响应和执行驾驶任务。

人机共享控制是指驾驶员与辅助驾驶系统共同对车辆进行驾驶操作完成行驶目的。线控转向系统由于转向盘和车轮的机械解耦，驾驶员与控制系统的共享控制可以消除由直接的物理干涉而引起的驾驶员操作不适。基于人机共享控制的车辆，驾驶员能够获得车辆的控制权可以增加驾乘人员对智能驾驶汽车的接受和信任程度，符合驾驶员的操作习惯，与控制系统协同驾驶能够在保证汽车行驶安全性的前提下提升驾驶员的操作舒适性。因此，在现有的高级辅助驾驶系统的功能上，设计一种合理的用于智能汽车的线控转向人机共享控制方法具有重要意义。

发明内容

为实现线控汽车主动驾驶时，驾驶员的在环控制，本发明提供一种用于智能汽车的线控转向人机共享控制方法及其采用所述控制方法的智能汽车。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种用于智能汽车的线控转向人机共享控制方法，其包括以下步骤：

步骤一，根据一个驾驶员操作转角δ_driver(t)和一个控制器输出转角δ_controller(t)，调配控制权限α_driver(t)；其中，t为采样时刻，t＝0、1、2、……，δ_driver(t)为汽车的方向盘在驾驶员的操作下在t采样时刻的转角输入，δ_controller(t)为汽车的控制器为跟踪汽车换道的期望换道轨迹y_ref在t采样时刻所需要的希望输出转角，α_driver(t)为在t采样时刻的汽车控制权限α_driver；

α_driver(t)的设计方法为：

(1)当|δ_driver(t)-i₁·δ_controller(t)|≥δ_sw0时，表征驾驶员操作了方向盘，对控制器的控制过程进行了干涉，则控制权限移向驾驶员：α_driver(t+1)＝α_driver(t)+Δα，其中，i₁表征方向盘到汽车的转向轮的传动比，δ_sw0为方向盘转角阈值，Δα为驾驶权限的增减量；

(2)当|δ_driver(t)-i·δ_controller(t)|＜δ_sw0时，表征驾驶员没有操作方向盘，对控制器的控制过程不存在干涉行为，则控制权限移向控制器：α_driver(t+1)＝α_driver(t)-Δα；

步骤二，设置汽车存在三中驾驶模式：

(1)自动驾驶模式，表示汽车处于控制器的控制下；

(2)驾驶员操控模式，表示汽车处于驾驶员的控制下；

(3)人机共享控制模式，表示汽车处于控制器和驾驶员的共同控制下；

令汽车的控制权限α_driver(t)∈[0,1]，且α_driver(0)＝0：

当α_driver(t)＝0时，则汽车处于自动驾驶模式；

当α_driver(t)＝1时，则汽车处于驾驶员操控模式；

当0＜α_driver(t)＜1时，则汽车处于人机共享控制模式，汽车的前轮的转向输入δ_input(t)为：δ_input(t)＝α_driver(t)·δ_driver(t)+(1-α_driver(t))·δ_controller(t)以实现汽车的转向操作，且对汽车的路感电机输出的转向阻力矩T_m增加附加力矩T₁，T₁＝(1-α_driver(t))k₁k₂|Δδ(t)|，其中，Δδ(t)＝δ_driver(t)-i·δ_controller(t)表示驾驶员与控制器转向意图不一致时产生的转角控制偏差；

表示驾驶员的意图与控制器动作的控制偏差方向，

为δ_driver(t)的一阶求导，

为δ_controller(t)的一阶求导，当k₂＝1时，认为控制意图方向一致，附加转矩T₁削弱驾驶员的转向阻力，当k₂＝-1时，认为控制意图方向不一致，附加转矩T₁增加驾驶员的转向阻力；k₁用于表示单位角度的附加力矩。

作为上述方案的进一步改进，汽车处于自动驾驶模式时，汽车的前轮的转向输入δ_input(t)为δ_input(t)＝δ_controller(t)，以实现汽车的转向操作去跟踪期望换道轨迹y_ref。

作为上述方案的进一步改进，汽车处于驾驶员操控模式时，δ_input(k)为δ_driver(k)以实现汽车的转向操作。

作为上述方案的进一步改进，期望换道轨迹y_ref设计为：

通过期望换道轨迹y_ref实现汽车的换道。其中，t_y表示汽车换道运动时间，假设汽车在运动时间t＝k时进行换道操作，k是时间的一个点，表征换道开始时刻，则t_y＝t-k；a₀、a₁、a₂、a₃、a₄、a₅为常数。

进一步地，所述期望换道轨迹y_ref的设计方法包括以下步骤：

设立多项式函数数学模型：

a₀、a₁、a₂、a₃、a₄、a₅此时为未知数；

汽车换道初始时刻的汽车状态为：侧向位置y₀、侧向速度

侧向加速度

期望汽车换道结束时刻的汽车状态为：侧向位置y₁、侧向速度

侧向加速度

将侧向位置y₀、y₁分别代入多项式函数数学模型中的y，将侧向速度

分别代入一次求导后的多项式函数数学模型中的

将侧向加速度

分别代入二次求导后的多项式函数数学模型中的

获得6个方程式，由此求解出a₀、a₁、a₂、a₃、a₄、a₅，因而得到期望换道轨迹y_ref为：

优选地，汽车换道初始时刻的汽车状态为：

期望汽车换道结束时刻的汽车状态为：

其中，A的取值为道路宽度。

作为上述方案的进一步改进，所述线控转向人机共享控制方法还包括：

设计汽车换道过程中的最小安全距离S_min：

其中，Δv_x、Δa_x分别为汽车与前方障碍物的相对纵向速度、相对纵向加速度，Δs为碰撞距离余量。

作为上述方案的进一步改进，δ_controller(t)的计算方法包括以下步骤：

将汽车换道时的期望横摆角

与汽车换道时的实际横摆角

的偏差e(t)作为控制器的跟踪误差控制量：

其中，

为y_ref(t)的一阶求导，y_ref(t)是y_ref在t采样时刻的轨迹；v_x为汽车的纵向速度；通过PID控制得到控制器的前轮转角δ_controller(t)：

其中k_p、k_i、k_d为控制器参数。

作为上述方案的进一步改进，所述线控转向人机共享控制方法还包括：

设计车辆运动状态约束，相应的约束条件为：

(1)

(2)β≤arctan(0.02μg)；

其中，μ为路面附着系数，g为重力加速度，ω_r汽车的实际横摆角速度，v_x为汽车的纵向速度，β是汽车的质心侧偏角。

本发明还提供一种智能汽车，其包括处理器、方向盘、控制器、可在所述处理器上运行的计算机程序；驾驶员通过操作方向盘操控汽车行驶，所述控制器在无人驾驶时操控汽车行驶，所述处理器在方向盘操控和控制器操控之间切换；所述处理器执行所述程序时实现上述任意用于智能汽车的线控转向人机共享控制方法的步骤。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明方法可以在线控转向汽车采取自主换道行驶方式时始终保持驾驶员在环，根据驾驶员对转向盘的操作意图实时更改车辆实际行驶轨迹，使得线控转向汽车主动换道功能根据符合驾驶员的驾驶习惯和实际需求。

2、本发明方法考虑了驾驶员的操作权限和控制器的转向动作，让驾驶员可以感知汽车处在人机共享控制状态下，考虑了汽车运动状态保障驾驶员在环操作的安全性；

3、本发明方法适用于线控转向汽车主动转向系统，可以根据实际道路环境采取换道行为进行避开前方障碍物。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的用于智能汽车的线控转向人机共享控制方法的流程图。

图2为期望换道轨迹的规划示意图。

图3为采用图1中方法所形成的安全域。

图4为本发明实施例1提供的用于智能汽车的线控转向人机共享控制方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1

请参阅图1，图1为本实施例的用于智能汽车的线控转向人机共享控制方法的流程图。本实施例的线控转向人机共享控制方法不但可以在线控转向汽车采取自主换道行驶方式时始终保持驾驶员在环，根据驾驶员对转向盘的操作意图实时更改车辆实际行驶轨迹，使得线控转向汽车主动换道功能根据符合驾驶员的驾驶习惯和实际需求；还考虑了驾驶员的操作权限和控制器的转向动作，让驾驶员可以感知汽车处在人机共享控制状态下，考虑了汽车运动状态保障驾驶员在环操作的安全性。

本实施例的线控转向人机共享控制方法主要包括两个步骤：一是设计本发明所需要的汽车控制权限(也即人机控制权动态分配系数)；二是设计本发明所需要的人机共享控制方式。

一、汽车控制权限

根据一个驾驶员操作转角δ_driver(t)和一个控制器输出转角δ_controller(t)，调配控制权限α_driver(t)；其中，t为采样时刻，t＝0、1、2、……，δ_driver(t)为汽车的方向盘在驾驶员的操作下在t采样时刻的转角输入，δ_controller(t)为汽车的控制器为跟踪汽车换道的期望换道轨迹y_ref在t采样时刻所需要的希望输出转角，α_driver(t)为在t采样时刻的汽车控制权限α_driver。

δ_driver(t)在智能汽车中均可实现，如采用现有的车载转向盘角传感器即可获取驾驶员操作转向盘(即方向盘)的转角输入。

δ_controller(t)在智能汽车中也均可实现，如可以根据横向轨迹跟踪控制系统进行控制器的状态跟踪控制方法，通过计算该控制器得到控制器跟踪期望换道轨迹的转角输入，即δ_controller(t)。在本实施例中，δ_controller(t)的计算方法包括以下步骤：

将汽车换道时的期望横摆角

与汽车换道时的实际横摆角

的偏差e(t)作为控制器的跟踪误差控制量：

其中，

为y_ref(t)的一阶求导，y_ref(t)是y_ref在t采样时刻的轨迹；v_x为汽车的纵向速度；通过PID控制得到控制器的前轮转角δ_controller(t)：

其中k_p、k_i、k_d为控制器参数。

在本实施例中，期望换道轨迹y_ref设计为：

通过期望换道轨迹y_ref实现汽车的换道，其中，t表示时间，a₀、a₁、a₂、a₃、a₄、a₅为常数。

在具体设计时，所述期望换道轨迹y_ref的设计方法包括以下步骤。

(1)设立多项式函数数学模型：

a₀、a₁、a₂、a₃、a₄、a₅此时为未知数；

(2)汽车换道初始时刻的汽车状态为：侧向位置y₀、侧向速度

侧向加速度

期望汽车换道结束时刻的汽车状态为：侧向位置y₁、侧向速度

侧向加速度

一般，汽车换道初始时刻的汽车状态为：

期望汽车换道结束时刻t＝t_e的汽车状态为：

其中，A的取值为道路宽度，常规的道路宽度为3.75，换道时间t_e＝3s。故，换道初始时刻的汽车状态和换道结束时刻的汽车状态分别为

和

即换道开始和结束时刻车辆都将处于稳定状态下，如图2所示。

将侧向位置y₀、y₁分别代入多项式函数数学模型中的y，将侧向速度

分别代入一次求导后的多项式函数数学模型中的

将侧向加速度

分别代入二次求导后的多项式函数数学模型中的

获得6个方程式，由此求解出a₀、a₁、a₂、a₃、a₄、a₅，因而得到期望换道轨迹y_ref为：

在本实施例中，α_driver(t)的设计方法为：

(1)当|δ_driver(t)-i₁·δ_controller(t)|≥δ_sw0时，表征驾驶员操作了方向盘，对控制器的控制过程进行了干涉，则控制权限移向驾驶员：α_driver(t+1)＝α_driver(t)+Δα，其中，i₁表征方向盘到汽车的转向轮的传动比，δ_sw0为方向盘转角阈值，Δα为驾驶权限的增减量；

(2)当|δ_driver(t)-i·δ_controller(t)|＜δ_sw0时，表征驾驶员没有操作方向盘，对控制器的控制过程不存在干涉行为，则控制权限移向控制器：α_driver(t+1)＝α_driver(t)-Δα；

如果Δα数值比较大表示驾驶权限的转移速度比较快，反之驾驶权限的转移速度比较慢。

二、人机共享控制方式

事先设置汽车存在三中驾驶模式：

(1)自动驾驶模式，表示汽车处于控制器的控制下；

(2)驾驶员操控模式，表示汽车处于驾驶员的控制下；

(3)人机共享控制模式，表示汽车处于控制器和驾驶员的共同控制下。

然后，令汽车的控制权限α_driver(t)∈[0,1]，且α_driver(0)＝0。

当α_driver(t)＝0时，则汽车处于自动驾驶模式。

汽车处于自动驾驶模式时，汽车的前轮的转向输入δ_input(t)为δ_input(t)＝δ_controller(t)，以实现汽车的转向操作去跟踪期望换道轨迹y_ref；利用路感电机带动方向盘跟随前轮实现同步转动。

当α_driver(t)＝1时，则汽车处于驾驶员操控模式。

汽车处于驾驶员操控模式时，δ_input(t)为δ_driver(t)以实现汽车的转向操作。

当0＜α_driver(t)＜1时，则汽车处于人机共享控制模式。

汽车的前轮的转向输入δ_input(t)为：δ_input(t)＝α_driver(t)·δ_driver(t)+(1-α_driver(t))·δ_controller(t)以实现汽车的转向操作，且对汽车的路感电机输出的转向阻力矩T_m增加附加力矩T₁。

其中，δ_input(t)＝α_driver(t)·δ_driver(t)+(1-α_driver(t))·δ_controller(t)，且α_driver(t+1)＝α_driver(t)±Δα的设计方式，可以在线控转向汽车采取自主换道行驶方式时始终保持驾驶员在环，根据驾驶员对转向盘的操作意图实时更改车辆实际行驶轨迹，使得线控转向汽车主动换道功能根据符合驾驶员的驾驶习惯和实际需求。

在本实施例中，T₁＝(1-α_driver(t))k₁k₂|Δδ(t)|。其中，Δδ(t)＝δ_driver(t)-i·δ_controller(t)表示驾驶员与控制器转向意图不一致时产生的转角控制偏差；

表示驾驶员的意图与控制器动作的控制偏差方向，

为δ_driver(t)的一阶求导，

为δ_controller(t)的一阶求导，当k₂＝1时，认为控制意图方向一致，附加转矩T₁削弱驾驶员的转向阻力，当k₂＝-1时，认为控制意图方向不一致，附加转矩T₁增加驾驶员的转向阻力；k₁用于表示单位角度的附加力矩，通过调整该参数使驾驶员适应人机共享控制时的转向力矩反馈，其单位为Nm/rad。

因此，驾驶员的实际感觉为：T＝T_m+T₁，T为人机共享控制时，方向盘传递给驾驶员的转矩。这样让驾驶员可以感知汽车处在人机共享控制状态下，起到警示作用，考虑了汽车运动状态保障驾驶员在环操作的安全性。

为避免驾驶员操作失误，根据车辆实际运行状态，通过建立车辆行驶安全域保证车辆处于安全行驶状态。具体包括为避免驾驶员操作失误，根据车辆实际运行状态，通过建立车辆行驶安全域保证车辆处于安全行驶状态。根据道路行驶状况，设计车辆运动状态约束为：

β≤arctan(0.02μg)

根据实际车载传感器，当车辆运动状态偏离安全行驶域时，此时表征车辆处于危险状态，控制权限完全移交至转向控制器。式中，μ为路面附着系数，g为重力加速度。ω_r车辆的实际横摆角速度，β是车辆的质心侧偏角。当车辆行驶在路面附着系数为0.8的沥青干路面、ω_r为0.3998rad/s时，安全域如图3所示。

实施例2

请参阅图4，本实施例介绍了一种线控转向汽车的换道避障人机共享控制方法，其在实施例1的基础上能做到换道避障功能，可以根据实际道路环境采取换道行为进行避开前方障碍物。

换道避障人机共享控制方法包括以下步骤：

步骤S1、根据当前运动状态和期望目标状态计算换道轨迹；

步骤S2、通过实时监测车辆前方障碍物距离确定换道时机；

步骤S3、基于特定的轨迹跟踪控制方法得到控制器期望输出转向角；

步骤S4、根据驾驶员操作状态，计算人机控制权动态分配系数，即汽车控制权限α_driver；

步骤S5、设计驾驶权限为0时的车辆运动控制方式，即自动驾驶模式；

步骤S6、设计驾驶权限为1时的车辆运动控制方式，即驾驶员操控模式；

步骤S7、设计驾驶权限处于0和1之间时的车辆运动人机共享控制方式，即人机共享控制模式；

步骤S8、建立行驶状态安全域保证车辆安全行驶，防止驾驶员错误操作。

步骤S1、获取汽车实际行驶侧向位置、侧向速度、侧向加速度，确定换道结束的车辆期望行驶状态，并计算出期望换道轨迹。

具体包括实时获取车辆运动行驶状态，获取车辆当前时刻实际侧向位置y₀、侧向速度

侧向加速度

并确定换道结束时刻t＝k+t_e时的车辆期望侧向位置y₁、侧向速度

侧向加速度

本实施例用去的换道时间t_e＝3s。

可以通过多项式函数设计期望换道轨迹，y表示变量，t_y表示时间。所述多项式函数数学模型为：

已知初始状态

和目标状态

即可求解出参数a₀、a₁、a₂、a₃、a₄、a₅，从而获得期望换道轨迹y_ref：

一般设置换道初始时刻的汽车状态为

换道结束时刻的状态为

即换道开始和结束时刻车辆都将处于稳定状态下，y₁＝3.75为道路宽度，如图2所示。

步骤S2、利用感知系统感知前方障碍物运动状态，建立合适的换道安全距离模型，计算换道车辆与前方障碍物的实时距离，确定换道避障时机。

具体包括利用感知系统获取前方障碍物纵向距离、速度、加速度，结合自车纵向运动状态计算换道最小安全距离：

其中：Δv_x、Δa_x为自车与前方障碍物相对纵向速度、加速度，Δs为碰撞距离余量，一般取Δs＝0.5m。假设自车以车速为60km/h匀速前进，前方障碍物为一静止车辆，根据本发明，最小安全距离为50.5m。当汽车在运动时间t＝k时检测到前方障碍物距离与自车距离达到换道安全最小距离，则会启动自动换道控制防止产生碰撞。

步骤S3、获取换道过程中汽车行驶实际横摆角及横摆角速度，并对汽车参考横摆角与实际横摆角进行差值计算得到横摆角偏差，基于横摆角偏差建立换道轨迹跟踪控制器，计算控制器期望输出。

具体包括建立轨迹跟踪控制器，以车辆换道参考横摆角

与实际横摆角

的偏差作为控制器跟踪误差控制量，其误差公式e为：

根据滑模控制系统进行控制器的状态跟踪控制方法，通过计算该控制器得到控制器跟踪期望换道轨迹的转角输入δ_controller。

根据如下表达式计算所述车辆换道参考横摆角和横摆角速度：

其中，

表示车辆参考侧向速度，v_x表示车辆的纵向速度，由期望轨迹求导计算得出。

步骤S4、根据转向盘转角转矩传感器、红外相机以及转向盘握力传感器采集驾驶员操作输入，获取驾驶员的驾驶状态、驾驶员的期望输入转角δ_driver及转向盘转矩，基对驾驶员进行状态检测以确定驾驶员操作权重系数α_driver，其中α_driver∈[0,1]。

具体包括采用车载转向盘角传感器获取驾驶员操作转向盘的转角输入指令δ_driver(即驾驶员的期望输入转角)。表示在驾驶员控制下的方向盘转角。初始化驾驶员控制车辆的驾驶权限α_driver(0)＝0；当驾驶员状态检测系统检测出驾驶员处于正常驾驶状态下进行操作方向盘，根据驾驶员对方向盘的持续操作，驾驶权限逐步从转向控制器移交给驾驶员，即α_driver逐渐增大至1；若驾驶员没有操作方向盘，则控制权限逐步返回至转向控制器。

设置方向盘转角阈值δ_sw0＝5°，实时检测驾驶员操作转角δ_driver与阈值δ_sw0的偏差，表征驾驶员持续操作转向盘。跟据偏差实时更新驾驶权限α_driver∈[0,1]，更新规则如下：

(a)当采样次数t满足|δ_driver(t)-i₁·δ_controller(t)|≥δ_sw0，表征驾驶员操作意图与控制器控制意图出现冲突，即驾驶员在车辆进行主动控制的过程中对车辆控制进行了干涉行为，i₁表示方向盘到车辆的转向轮的传动比，控制权限需要移向驾驶员：α_driver(t+1)＝α_driver(t)+Δα，t＝0,1,2,......；Δα为驾驶权限的增减量，如果Δα数值比较大表示驾驶权限的转移速度比较快，反之驾驶权限的转移速度比较慢。

(b)当k时刻满足|δ_driver(t)-i·δ_controller(t)|＜δ_sw0，表征驾驶员对转向盘没有进行执行动作，即在车辆进行主动控制的过程中不对车辆控制进行干涉行为，则驾驶员权限持续降低，车辆控制权限移向主动转向控制器：α_driver(t+1)＝α_driver(t)-Δα，t＝0,1,2,......。

步骤S5、当驾驶员操作权限为α_driver＝0时，车辆处于自动驾驶模式，完全由转向控制系统接管。

具体包括根据驾驶员控制权限，采取相应的车辆转向控制方式。当驾驶员操作权限为0时，车辆处于自动驾驶模式，完全由转向控制系统接管。此时，自动转向系统根据控制器决策出的δ_controller作为前轮转向输入实现车辆的转向操作，跟踪期望轨迹；方向盘亦根据相应的转向动作由路感电机控制同步转动，以期望前轮转角为方向盘目标转角，路感电机控制方向盘跟随该转角，建立转角误差为：Δδ_e＝δ_sw-δ_controller，利用电机转角跟随控制实现方向盘的同步转动。δ_sw表示在控制器控制下的方向盘转角。

步骤S6、当驾驶员操作权限为α_driver＝1时，此时车辆完全由驾驶员进行操控。

具体包括当驾驶员操作权限为1时，车辆处于驾驶员操控模式。此时，车辆完全根据驾驶员操作指令进行运动，方向盘转角即前轮转向输入，路感电机根据车辆运动状态和道路状态向驾驶员提供转向阻力矩T_m，给驾驶员一种转向感觉。

步骤S7、当驾驶员操作权限处于0～1之间时，车辆处于驾驶员与控制器共享控制阶段，实际车辆转向输入由驾驶员输入与控制器期望输入加权得到。

具体包括当驾驶员操作权限处于0～1之间时，车辆处于驾驶员与控制器共享控制阶段，车辆转向期望输入由驾驶员输入与控制器输入加权得到。根据当前时刻驾驶员控制权重系数，计算前轮期望输入如下：

δ_input(t)＝α_driver·δ_driver+(1-α_driver)·δ_controller

此时路感电机在提供转向阻力矩的基础上，同时还根据驾驶员与控制器的意图不一致施加附加力矩T₁。根据转向以图及驾驶员控制权限，设计附加转矩为T₁：

T₁＝(1-α_driver)k₁k₂|Δδ|

式中，Δδ＝δ_controller-δ_driver表示驾驶员与控制器转向意图不一致时产生的转角控制偏差；

表示驾驶员的意图与控制器动作的控制偏差方向，当k₂＝1时，认为控制意图方向一致，附加转矩T₁应削弱驾驶员的转向阻力，当控制意图方向不一致时k₂＝-1，附加转矩T₁应增加驾驶员的转向阻力，明显的转向感觉不一致可以容易的让驾驶员捕捉到控制器的转向动作；k₁用于表示单位角度的附加力矩，通过调整该参数使驾驶员适应人机共享控制时的转向力矩反馈，其单位为Nm/rad。

设计人机共享控制时的驾驶员转矩实际感觉为：

T＝T_m-T₁

步骤S8、为避免驾驶员操作失误，根据车辆实际运行状态，通过建立车辆行驶安全域保证车辆处于安全行驶状态。

具体包括为避免驾驶员操作失误，根据车辆实际运行状态，通过建立车辆行驶安全域保证车辆处于安全行驶状态。根据道路行驶状况，设计车辆运动状态约束为：

β≤arctan(0.02μg)

根据实际车载传感器，当车辆运动状态偏离安全行驶域时，此时表征车辆处于危险状态，控制权限完全移交至转向控制器。式中，μ为路面附着系数，g为重力加速度。ω_r车辆的实际横摆角速度，β是车辆的质心侧偏角。当车辆行驶在路面附着系数为0.8的沥青干路面、ω_r为0.3998rad/s时，安全域如图3所示。

本实施在进行车辆主动操纵换道避障时，能够结合驾驶员的主动操作意图来控制车辆实际换道行驶轨迹，保持驾驶员在环操作。

实施例3

本实施例介绍的是一种智能汽车，本实施例的智能汽车能实现线控汽车主动驾驶时的驾驶员在环控制。

智能汽车主要包括处理器、方向盘、控制器、可在所述处理器上运行的计算机程序。驾驶员通过操作方向盘操控汽车行驶，所述控制器在无人驾驶时操控汽车行驶，所述处理器在方向盘操控和控制器操控之间切换。所述处理器执行所述程序时实现实施例1的方法步骤或实施例2的方法步骤。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种用于智能汽车的线控转向人机共享控制方法，其特征在于，其包括以下步骤：

步骤一，根据一个驾驶员操作转角δ_driver(t)和一个控制器输出转角δ_controller(t)，调配控制权限α_driver(t)；其中，t为采样时刻，t＝0、1、2、……，δ_driver(t)为汽车的方向盘在驾驶员的操作下在t采样时刻的转角输入，δ_controller(t)为汽车的控制器为跟踪汽车换道的期望换道轨迹y_ref在t采样时刻所需要的希望输出转角，α_driver(t)为在t采样时刻的汽车控制权限α_driver；

α_driver(t)的设计方法为：

(1)当|δ_driver(t)-i₁·δ_controller(t)|≥δ_sw0时，表征驾驶员操作了方向盘，对控制器的控制过程进行了干涉，则控制权限移向驾驶员：α_driver(t+1)＝α_driver(t)+Δα，其中，i₁表征方向盘到汽车的转向轮的传动比，δ_sw0为方向盘转角阈值，Δα为驾驶权限的增减量；

(2)当|δ_driver(t)-i·δ_controller(t)|＜δ_sw0时，表征驾驶员没有操作方向盘，对控制器的控制过程不存在干涉行为，则控制权限移向控制器：α_driver(t+1)＝α_driver(t)-Δα；

步骤二，设置汽车存在三中驾驶模式：

(1)自动驾驶模式，表示汽车处于控制器的控制下；

(2)驾驶员操控模式，表示汽车处于驾驶员的控制下；

(3)人机共享控制模式，表示汽车处于控制器和驾驶员的共同控制下；

令汽车的控制权限α_driver(t)∈[0,1]，且α_driver(0)＝0：

当α_driver(t)＝0时，则汽车处于自动驾驶模式；

当α_driver(t)＝1时，则汽车处于驾驶员操控模式；

当0＜α_driver(t)＜1时，则汽车处于人机共享控制模式，汽车的前轮的转向输入δ_input(t)为：δ_input(t)＝α_driver(t)·δ_driver(t)+(1-α_driver(t))·δ_controller(t)以实现汽车的转向操作，且对汽车的路感电机输出的转向阻力矩T_m增加附加力矩T₁，T₁＝(1-α_driver(t))k₁k₂|Δδ(t)|，其中，Δδ(t)＝δ_driver(t)-i·δ_controller(t)表示驾驶员与控制器转向意图不一致时产生的转角控制偏差；

表示驾驶员的意图与控制器动作的控制偏差方向，

为δ_driver(t)的一阶求导，

为δ_controller(t)的一阶求导，当k₂＝1时，认为控制意图方向一致，附加转矩T₁削弱驾驶员的转向阻力，当k₂＝-1时，认为控制意图方向不一致，附加转矩T₁增加驾驶员的转向阻力；k₁用于表示单位角度的附加力矩。

2.如权利要求1所述的用于智能汽车的线控转向人机共享控制方法，其特征在于，汽车处于自动驾驶模式时，汽车的前轮的转向输入δ_input(t)为δ_input(t)＝δ_controller(t)，以实现汽车的转向操作去跟踪期望换道轨迹y_ref。

3.如权利要求1所述的用于智能汽车的线控转向人机共享控制方法，其特征在于，汽车处于驾驶员操控模式时，δ_input(t)为δ_driver(t)以实现汽车的转向操作。

4.如权利要求1所述的用于智能汽车的线控转向人机共享控制方法，其特征在于，期望换道轨迹y_ref设计为：

通过期望换道轨迹y_ref实现汽车的换道，其中，t_y表示汽车换道运动时间，假设汽车在运动时间t＝k时进行换道操作，k是时间的一个点，表征换道开始时刻，则t_y＝t-k；a₀、a₁、a₂、a₃、a₄、a₅为常数。

5.如权利要求4所述的用于智能汽车的线控转向人机共享控制方法，其特征在于，所述期望换道轨迹y_ref的设计方法包括以下步骤：

设立多项式函数数学模型：

a₀、a₁、a₂、a₃、a₄、a₅此时为未知数；

汽车换道初始时刻的汽车状态为：侧向位置y₀、侧向速度

侧向加速度

期望汽车换道结束时刻的汽车状态为：侧向位置y₁、侧向速度

侧向加速度

将侧向位置y₀、y₁分别代入多项式函数数学模型中的y，将侧向速度

分别代入一次求导后的多项式函数数学模型中的

将侧向加速度

分别代入二次求导后的多项式函数数学模型中的

获得6个方程式，由此求解出a₀、a₁、a₂、a₃、a₄、a₅，因而得到期望换道轨迹y_ref为：

6.如权利要求5所述的用于智能汽车的线控转向人机共享控制方法，其特征在于，汽车换道初始时刻的汽车状态为：y₀＝0,

期望汽车换道结束时刻的汽车状态为：y₁＝A,

其中，A的取值为道路宽度。

7.如权利要求1所述的用于智能汽车的线控转向人机共享控制方法，其特征在于，所述线控转向人机共享控制方法还包括：

设计汽车换道过程中的最小安全距离S_min：

其中，Δv_x、Δa_x分别为汽车与前方障碍物的相对纵向速度、相对纵向加速度，Δs为碰撞距离余量。

8.如权利要求1所述的用于智能汽车的线控转向人机共享控制方法，其特征在于，δ_controller(t)的计算方法包括以下步骤：

将汽车换道时的期望横摆角

与汽车换道时的实际横摆角

的偏差e(t)作为控制器的跟踪误差控制量：

其中，

为y_ref(t)的一阶求导，y_ref(t)是y_ref在t采样时刻的轨迹；v_x为汽车的纵向速度；通过PID控制得到控制器的前轮转角δ_controller(t)：

其中k_p、k_i、k_d为控制器参数。

9.如权利要求1所述的用于智能汽车的线控转向人机共享控制方法，其特征在于，所述线控转向人机共享控制方法还包括：

设计车辆运动状态约束，相应的约束条件为：

(1)

(2)β≤arctan(0.02μg)；

其中，μ为路面附着系数，g为重力加速度，ω_r汽车的实际横摆角速度，v_x为汽车的纵向速度，β是汽车的质心侧偏角。

10.一种智能汽车，其包括处理器、方向盘、控制器；驾驶员通过操作方向盘操控汽车行驶，所述控制器在无人驾驶时操控汽车行驶，所述处理器在方向盘操控和控制器操控之间切换；其特征在于：所述智能汽车还包括可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至9中任意一项所述的用于智能汽车的线控转向人机共享控制方法的步骤。

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