CN111891125B - 一种基于扭矩控制的车道偏离主动纠偏方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于扭矩控制的车道偏离主动纠偏方法。过程为：主动纠偏系统满足激活条件时进入激活状态，主动纠偏系统实时获取道路信息及车辆参数信息；基于前述获取的信息的计算前馈扭矩；基于前述获取的信息确定车辆纠偏的目标横摆角速度，根据目标横摆角速度计算反馈扭矩；根据前馈扭矩、反馈扭矩及方向盘扭矩计算补偿扭矩，将补偿扭矩输入至转向系统完成扭矩纠偏控制。本发明采用前馈加反馈的控制方案，能快速跟随目标参数，完成车辆车道偏离纠偏动作，系统稳定，且运算量低，控制器内存消耗低；通过将车辆横摆横摆角速度作为目标控制值，保证了在弯道行驶时，也有良好的纠偏效果。

Description

一种基于扭矩控制的车道偏离主动纠偏方法

技术领域

本发明属于汽车控制技术领域，具体涉及一种基于扭矩控制的车道偏离主动纠偏方法。

背景技术

根据相关报道，车辆没有保持在合适的车道或驶离车道导致的道路交通事故占总道路交通事故的比例仅次于超速行驶，由此可见，如何保证车辆安全行驶在当前车道是亟待解决的问题。另外，长期驾驶时，驾驶员容易疲劳时，驾驶的车辆容易发生车道偏离，从而导致交通事故，车道偏离主动纠偏系统能提高行车的主动安全性，减小驾驶员的驾驶负担。

现有方案是通过摄像头获得车辆前方道路影像，对所述摄像头获得的前方道路影像进行处理，并提取车道线信息；计算车辆中心线与车道中心线之间的横向偏移量，基于横向偏离量计算车辆的转向需求角度值，使得横向偏移量逐渐减小至零，以车道中心线保持为控制目标，车辆稳定沿车道中心线行驶，如公开号CN 110015294 A的专利)

现有方案存在以下风险：

1.无前馈控制器，当车辆车速较高时，系统为快速跟随目标值，缩短调节时间容易引起振荡；

2.采用方向盘转角补偿，当驾驶员操作方向盘时，影响驾驶操控品质。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种基于扭矩控制的车道偏离主动纠偏方法。

本发明采用的技术方案是：一种基于扭矩控制的车道偏离主动纠偏方法，包括以下步骤：

1)主动纠偏系统满足激活条件时进入激活状态，主动纠偏系统实时获取道路信息及车辆参数信息；

2)基于步骤1)获取的信息的计算前馈扭矩；

3)基于步骤1)获取的信息确定车辆纠偏的目标横摆角速度，根据目标横摆角速度计算反馈扭矩；

4)根据前馈扭矩、反馈扭矩及方向盘扭矩计算补偿扭矩，将补偿扭矩输入至转向系统完成扭矩纠偏控制。

进一步地，所述激活条件包括：车道线偏离值大于等于第一阈值、车辆的横向加速度小于等于第二阈值、无转向灯信号、车辆的横摆角速度小于等于第三阈值和无制动信号。

进一步地，所述道路信息和车辆参数信息包括车辆中心线与车道中心线之间的横向偏移量、车道中心线的曲率半径、车辆的航向角、车道线类别及完整度、自检信号、制动信号和转向灯信号。

进一步地，通过以下公式计算前馈扭矩：

其中，T_f为前馈扭矩；i_L为转向器与转向杆系的总传动比，V_L为转向助力系数，

为横摆角速度补偿系数；K为；μ为轮胎与地面的摩擦系数；w为轮胎负荷；p为轮胎内气压。

进一步地，确定车辆纠偏的目标横摆角速度的过程为：

基于车辆运动的几何学方程计算车辆T时刻以后与目标轨迹的横向位移偏差，根据当前点和T时刻以后目标点的速度方向和位移，以及横向位移偏差确定期望目标横摆角速度。

进一步地，通过以下公式计算反馈扭矩：

其中，u(t)为反馈扭矩；Kp为比例系数；e(t)为为目标横摆角速度和实际横摆角速度的偏差；T_I为积分的时间常数；T_D微分的时间常数。

进一步地，通过以下公式计算补偿扭矩：

T₀＝T_f+u(t)-n_rT_r

其中，T₀为补偿扭矩；T_f为前馈扭矩；u(t)为反馈扭矩；n_r为与方向盘角度相关的修正系数；T_r为方向盘扭矩。

进一步地，所述主动纠偏系统包括

摄像头，用于获取车辆前方道路信息发送至扭矩纠偏控制器；

扭矩纠偏控制器，用于接收道路信息及车辆参数，根据道路信息及车辆参数扭矩纠偏决策，发送控制指令至线控转向器；

线控转向器，用于根据接收的指令控制车辆转向。

进一步地，所述扭矩纠偏控制器包括前馈控制器、反馈控制器和补偿控制器，所述前馈控制器用于计算前馈扭矩发送至补偿控制器，反馈控制器用于计算反馈扭矩发送至补偿控制器，补偿控制器用于根据前馈扭矩和反馈扭矩计算补偿扭矩。

本发明的有益效果是：采用前馈加反馈的控制方案，能快速跟随目标参数，完成车辆车道偏离纠偏动作，系统稳定，且运算量低，控制器内存消耗低；通过将车辆横摆角速度作为目标控制量，保证了车辆轴距较长，且在弯道行驶时，也有良好的纠偏效果。

附图说明

图1为本发明主动纠偏系统的框架示意图。

图2为本发明主动纠偏系统的原理示意图

图3为本发明主动纠偏的控制流程图。

图4为本发明车辆运动的几何原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以互相结合。

如图1-4所示，本发明提出了一种转向器扭矩控制的车道偏离主动纠偏方法，车辆行驶过程中，通过安装在前挡风玻璃上的单目摄像头采集道路信息和车辆航向角信息，当车辆偏离车道中心时，通过整车参数和道路信息计算出车辆纠偏的目标横摆角速度，将其作为目标控制量，然后通过前馈控制器和反馈控制器，计算方向盘纠偏扭矩。扭矩传感器测得驾驶员方向盘扭矩，通过扭矩补偿计算得到转向器输入扭矩，输入到转向系统，完成车辆纠偏，其原理如图2所示。

本发明扭矩控制的主动纠偏系统如图1中虚线框所示，包括扭矩纠偏控制器、摄像头和线控转向控制器，单目摄像头安装于车辆的前挡风玻璃上，可以通过图像的滤波平滑、边缘检测及多帧图像跟踪，提取道路信息和车辆信息，包括：车辆中心线与车道中心线之间的横向偏移量、车道中心线的曲率半径、车辆的航向角、车道线类别及完整度等。扭矩纠偏控制器用于扭矩纠偏决策和控制，线控转向控制器用于车辆转向执行。

扭矩控制的主动纠偏系统主要有三种状态：开启状态(包括待机、可用和激活状态)，故障状态，关闭状态。当车辆上电、完成自检后，驾驶员启动扭矩控制的主动纠偏系统开启按钮，系统进入开启状态。开启状态包括待机、可用和激活状态。当摄像头能正常识别车道线，系统进入待机状态，当车辆车速满足条件阈值，系统进入可用状态，当系统满足激活条件时，系统进入激活状态，此时扭矩纠偏控制器向转向器发出控制指令，控制车辆的横向运动，完成车辆纠偏动作。当系统不满足激活条件，或车速条件时，系统进入待机状态。激活条件包括：车道线偏离值大于等于第一阈值、车辆的横向加速度小于等于第二阈值、无转向灯信号、车辆的横摆角速度小于等于第三阈值和无制动信号，第一阈值、第二阈值和第三阈值为标定值，根据实际需要确定。故障状态，当系统检测出故障时，系统进入故障状态，进行故障处理和存储。关闭状态，当驾驶员启动扭矩控制的主动纠偏系统的关闭按钮或自检不通过，系统进入关闭状态。

扭矩纠偏控制方法过程如下：

通过前馈控制器和反馈控制器，计算方向盘纠偏扭矩，然后通过通过扭矩补偿控制器计算得到转向器输入扭矩，输入到转向系统。

a)前馈控制

在计算原地转向阻力矩时，通常把轮胎的接地印迹看作一个圆。假设其负荷为w，轮胎里的气压为p时，轮胎接地印迹的直径为d，则：

其中，μ——轮胎与地面的摩擦系数

又因为

所以

当轮胎滚动时，其接地印迹的侧向力作用中心，后移1/6印迹长度，此时等效圆直径d1＝2/3,则此时的阻力矩M’_s为：

若转向节臂上对应的总阻力矩为M′_C，转向器的输出轴的力矩为M_C，若不考虑系统干摩擦，作用在左右转向节的合力矩：

其中，i_T为梯形机构的传动比

则需要转向器的输出力矩为

其中，i_d为垂臂和直拉杆臂的传动比

最后计算出前馈扭矩T_f为:

其中，i_L转向器与转向杆系的总传动比，V_L转向助力系数，

为横摆角速度补偿系数(取值0.8—2)。

b)反馈控制

根据车辆当前航向角和位姿信息，计算T时刻后车辆的横向位移，包括车辆当前的横向位移和速度造成的预瞄位移，车辆运动几何关系如图4所示。

单点预瞄方程：

其中，y(t+T)是预瞄T时刻以后的车辆横向位移

y(t)是当前t时刻的车辆横向位移

v_r是当前车速

是航向角

T是预瞄时间

基于车辆运动的几何学方程，可计算车辆T时刻以后与目标轨迹的横向位移偏差e_y：

其中，f(t+T)为t+T时刻车辆目标轨迹的横向位移。

假定车辆T时刻以后行驶至目标轨迹，根据当前点和目标点的速度方向和位移，通过以下公式计算出期望的目标横摆角速度ω_opt：

其中，R为道路曲率半径。

反馈控制使用PID控制，反馈扭矩表达式为：

其中，e(t)为系统偏差，在控制系统中为目标横摆角速度和实际横摆角速度的偏差；K_p为比例系数；T_I为积分的时间常数；T_D微分的时间常数。

c)扭矩补偿计算

扭矩传感器测量出驾驶员的手扭矩即方向盘扭矩为T_r，则扭矩补偿T₀的表达式为：

T₀＝T_f+u(t)-n_rT_r

其中，n_r为与方向盘角度相关的修正系数。

将补偿扭矩输入给线控转向器即可控制车辆按照期望的轨迹自动行驶。

以上仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种基于扭矩控制的车道偏离主动纠偏方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)主动纠偏系统满足激活条件时进入激活状态，主动纠偏系统实时获取道路信息及车辆参数信息；

2)基于步骤1)获取的信息的计算前馈扭矩；

3)基于步骤1)获取的信息确定车辆纠偏的目标横摆角速度，根据目标横摆角速度计算反馈扭矩；

4)根据前馈扭矩、反馈扭矩及方向盘扭矩计算补偿扭矩，将补偿扭矩输入至转向系统完成扭矩纠偏控制；

通过以下公式计算前馈扭矩：

其中，T_f为前馈扭矩；i_L为转向器与转向杆系的总传动比，V_L为转向助力系数，

为横摆角速度补偿系数；K为中间参数，

μ为轮胎与地面的摩擦系数；w为轮胎负荷；p为轮胎内气压；i_T为梯形机构的传动比；i_d为垂臂和直拉杆臂的传动比。

2.根据权利要求1所述的基于扭矩控制的车道偏离主动纠偏方法，其特征在于：所述激活条件包括：车道线偏离值大于等于第一阈值、车辆的横向加速度小于等于第二阈值、无转向灯信号、车辆的横摆角速度小于等于第三阈值和无制动信号。

3.根据权利要求1所述的基于扭矩控制的车道偏离主动纠偏方法，其特征在于：所述道路信息和车辆参数信息包括车辆中心线与车道中心线之间的横向偏移量、车道中心线的曲率半径、车辆的航向角、车道线类别及完整度、自检信号、制动信号和转向灯信号。

4.根据权利要求1所述的基于扭矩控制的车道偏离主动纠偏方法，其特征在于：确定车辆纠偏的目标横摆角速度的过程为：基于车辆运动的几何学方程计算车辆T时刻以后与目标轨迹的横向位移偏差，根据当前车速以及横向位移偏差确定目标横摆角速度。

5.根据权利要求1所述的基于扭矩控制的车道偏离主动纠偏方法，其特征在于：通过以下公式计算反馈扭矩：

其中，u(t)为反馈扭矩；Kp为比例系数；e(t)为为目标横摆角速度和实际横摆角速度的偏差；T_I为积分的时间常数；T_D微分的时间常数。

6.根据权利要求1所述的基于扭矩控制的车道偏离主动纠偏方法，其特征在于：通过以下公式计算补偿扭矩：

T₀＝T_f+u(t)-n_rT_r

其中，T₀为补偿扭矩；T_f为前馈扭矩；u(t)为反馈扭矩；n_r为与方向盘角度相关的修正系数；T_r为方向盘扭矩。

7.根据权利要求1所述的基于扭矩控制的车道偏离主动纠偏方法，其特征在于：所述主动纠偏系统包括

摄像头，用于获取车辆前方道路信息发送至扭矩纠偏控制器；

扭矩纠偏控制器，用于接收道路信息及车辆参数，根据道路信息及车辆参数扭矩纠偏决策，发送控制指令至线控转向器；

线控转向器，用于根据接收的指令控制车辆转向。

8.根据权利要求7所述的基于扭矩控制的车道偏离主动纠偏方法，其特征在于：所述扭矩纠偏控制器包括前馈控制器、反馈控制器和补偿控制器，所述前馈控制器用于计算前馈扭矩发送至补偿控制器，反馈控制器用于计算反馈扭矩发送至补偿控制器，补偿控制器用于根据前馈扭矩和反馈扭矩计算补偿扭矩。

9.根据权利要求7所述的基于扭矩控制的车道偏离主动纠偏方法，其特征在于：所述扭矩纠偏控制器从整车总线获取车辆参数。

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