CN114852168B - 一种基于驾驶员转向意图的操纵摇杆变角传动比控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及汽车控制策略技术领域，具体是一种基于驾驶员转向意图的操纵摇杆变角传动比控制方法，主要由信号实时采集模块、转向意图识别模块和PID车辆控制模块组成，首先，采集车辆的操纵摇杆角位移和当前车速，然后将驾驶员的操作解析为车轮转角需求，最后基于车轮转角需求和实际的车轮转角，闭环控制车辆的运动，本发明基于驾驶员转向意图的操纵摇杆变角传动比控制方法，突破了操纵摇杆角位移与车轮转角以固定比例直接耦合的思路，利用闭环控制的方法，提高了操纵稳定性，降低了驾驶难度。
Description
技术领域
本发明涉及汽车控制策略技术领域，具体是一种基于驾驶员转向意图的操纵摇杆变角传动比控制方法。
背景技术
自动驾驶辅助技术的发展正极大地改变着我们驾驶汽车的方式。许多企业希望在智能汽车上彻底淘汰方向盘和踏板，获得更加舒适的乘坐体验，让汽车变为“四个车轮加沙发”的移动出行空间。但是，人为控制程度的降低会导致驾驶乐趣和体验的缺失；同时，车辆行驶过程中不可避免地会出现自动驾驶系统无法处理的道路交通状况，需要驾驶员及时接管车辆。所以，未来的智能汽车并不能完全取消操纵机构。
近年来，随着线控技术(X-by-Wire)的飞速发展，许多企业和学者提出了使用操纵摇杆代替方向盘的思路。2013年，德国亚琛工业大学ika研究所在SpeedE项目原型车上应用了基于线控技术的侧边摇杆，见文献《Design of an energy-efficient front axle fora wheel individual Steer-by-Wire system on the example of the researchvehicle SpeedE》。2020年，韩国现代汽车发布了Prophecy概念车，用驾驶位两侧的操纵杆取代了方向盘。2020年，德国奔驰公司发布了VISION AVTR概念车，同样取消了方向盘，通过中控台扶手上的摇动手柄驾驶车辆。参考各类文献和资料可知，国内外学者对操纵摇杆驾驶方式进行了大量的研究，传统思路是采用固定的角传动比，将操纵摇杆角位移和车轮转角直接耦合，这种方法只需将原来的方向盘转角信号替换为操纵摇杆角位移信号，实现较为简单。但是，这种方法具有一定的局限性，一方面其不能同时保证低速时的转向灵敏性和高速时的转向稳定性，使驾驶员感到操纵困难；另一方面其容错率较低，驾驶员微小的误操作就可能导致严重的后果，给驾驶员带来心理和生理的压力。同时，传统的转向控制中驾驶员动作直接对应车轮转角，而驾驶员在转向时主观感受到的是转向的强度而不是车轮转角，这种强度与车辆的速度和侧向加速度有关。综上可知，传统思路的转向控制不能准确实现驾驶员的转向意图。
基于吉林大学ASCL驾驶模拟器的驾驶员在环仿真试验研究可知，驾驶员的转向操作主要有四种，短时间操作、长时间操作、轻微操作、波动操作。短时间操作指在一段时间内车轮转角不断在增大和减小间来回变化的转向动作，反映了驾驶员对转向灵敏性和指向性的需求；长时间操作指车辆在一段时间内转向角度不大且变化较慢的转向动作，反映了驾驶员对转向稳定性的需求；轻微操作指驾驶员在车辆高速行驶时的小幅度转向，特别是一些变道和长弯道的工况，车辆只在横向上有轻微的“飘移”，几乎感觉不到转向的存在，反映了驾驶员对转向不敏感的需求。此外，在长时间操作过程中还会出现波动操作，波动操作指由于路面颠簸和驾驶员肌肉抖动，对操纵摇杆产生的类似于噪声的波动影响，这不是驾驶员的转向意图，应当忽略。
目前，绝大多数的控制方法将操纵摇杆角位移和车轮转角直接耦合，这种方法的优点是将原来的方向盘转角直接替换为操纵摇杆角位移，就可以实现车辆控制，原理较为简单，但是，这种方法一方面由于操纵摇杆上很小的角位移就会带来车轮转角很大的变化，需要驾驶员非常精细的控制，另一方面不能协调高速转向稳定性和低速转向灵敏性，因此，针对以上现状，迫切需要开发一种基于驾驶员转向意图的操纵摇杆变角传动比控制方法，以克服当前实际应用中的不足。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于驾驶员转向意图的操纵摇杆变角传动比控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于驾驶员转向意图的操纵摇杆变角传动比控制方法，包括如下步骤：
(1)通过信号实时采集模块采集当前车辆的纵向速度信号、操纵摇杆角位移信号和实际的车轮转角信号；
(2)通过转向意图识别模块对当前车速和操纵摇杆角位移进行判断，综合分析驾驶员的驾驶意图，通过Map图得到所需要的目标车轮转角；
(3)通过PID车辆控制模块，将步骤(2)中转向意图识别模块得到的目标车轮转角和当前实际的车轮转角，一并输入给PID控制系统，实现车辆的转向闭环控制。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明建立了角传动比随驾驶员操作和车辆速度变化的操纵摇杆角位移-车辆速度-车轮转角MAP图，突破了传统的角传动比固定的思维限制，使不同车速下的不同操纵摇杆角位移对应不同的角传动比，保证了高速转向的稳定性与低速转向的灵敏性；
2、本发明基于车速和操纵摇杆角位移识别驾驶意图，基于不同驾驶意图来求解所需要的目标车轮转角，将其作为输入量，实际测量车轮转角作为反馈量，实现了车辆的PID闭环控制，提高了操纵稳定性，降低了驾驶难度。
附图说明
图1为本发明实施例中基于驾驶员转向意图的操纵摇杆变角传动比控制方法示意图。
图2为本发明实施例中操纵摇杆位移-车辆速度-车轮转角的Map曲线示意图。
图3为本发明实施例中转向控制过程示意曲线示意图。
图4为本发明实施例中长时间操作角传动比调整示意曲线示意图。
图5为本发明实施例中PID车辆控制原理示意图。
具体实施方式
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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。
请参阅图1-5，本发明实施例提供的一种基于驾驶员转向意图的操纵摇杆变角传动比控制方法，包括如下步骤：
(1)通过信号实时采集模块I采集当前车辆的纵向速度ux信号、操纵摇杆角位移θste信号和实际的车轮转角θwhe信号；
(2)通过转向意图识别模块II对当前车速ux和操纵摇杆角位移θste进行判断，综合分析驾驶员的驾驶意图，通过Map图得到所需要的目标车轮转角θwhe2；
(3)通过PID车辆控制模块III，将步骤(2)中转向意图识别模块II得到的目标车轮转角θwhe2和当前实际的车轮转角θwhe，一并输入给PID控制系统，实现车辆的转向闭环控制。
通过设计信号实时采集模块I，利用相关电子设备，对车辆的纵向速度ux信号、操纵摇杆角位移θste信号和实际的车轮转角θwhe信号进行采集，并通过转向意图识别模块II对当前车速ux和操纵摇杆角位移θste进行判断，综合分析驾驶员的驾驶意图，通过分析驾驶员对操纵摇杆的操作，研究了驾驶员操作的运动意图，生成了输入为操纵摇杆角位移θste和车辆当前速度ux，输出为车轮转角需求的Map图，并利用PID控制算法，实现车辆转向运动的控制，突破了传统的角传动比固定的思维限制，使不同车速ux下的不同操纵摇杆角位移θste对应不同的角传动比，保证了高速转向的稳定性与低速转向的灵敏性，并且基于车速和操纵摇杆角位移识别驾驶意图，基于不同驾驶意图来求解所需要的目标车轮转角θwhe2，将其作为输入量，实际测量车轮转角作为反馈量，实现了车辆的PID闭环控制，提高了操纵稳定性，降低了驾驶难度，值得推广。
在本发明的一个实施例中，请参阅图1，在步骤(1)中，将采集到当前车辆的纵向速度ux、操纵摇杆角位移θste以及车轮转角θwhe的单位转化为国际统一单位后输出。
通过利用相关电子设备，对车辆的纵向速度ux信号、当前操纵摇杆角位移θste信号、当前实际的车轮转角θwhe信号进行采集，获取相关信号之后，将其转化为国际标准单位并输出，有利于数据的处理和运算。
在本发明的一个实施例中，请参阅图1-4，在步骤(2)中，所述转向意图识别模块II包含有长时间操作运动意图2.1单元、短时间操作运动意图2.2单元、轻微操作运动意图2.3单元和波动操作运动意图2.4单元，所述长时间操作运动意图2.1单元、短时间操作运动意图2.2单元、轻微操作运动意图2.3单元和波动操作运动意图2.4单元分别与当前车辆的纵向速度ux和操纵摇杆角位移θste配合连接，并由MAP图2.5得到目标车轮转角θwhe2；
所述短时间操作运动意图2.2单元是分析驾驶员对操纵摇杆的短时间操作的运动意图，驾驶员短时间内连续来回操作摇杆，使车辆改变行驶方向以通过弯道多的路况；
所述长时间操作运动意图2.1单元是分析驾驶员对操纵摇杆的长时间操作的运动意图，驾驶员长时间保持操纵摇杆角位移，使车辆以变化较小的转弯半径通过较长的连贯弯道；
所述轻微操作运动意图2.3单元是分析驾驶员对操纵摇杆的轻微操作的运动意图，驾驶员对操纵摇杆的轻微操作，使车辆变道或略微调整车辆方向；
所述波动操作运动意图2.4单元是分析驾驶员的波动操作，对操纵摇杆角位移输入量进行滤波处理。
短时间操作运动意图2.2是分析驾驶员对操纵摇杆的短时间操作的运动意图，驾驶员短时间内连续来回操作摇杆使车辆转向，其运动意图是使车辆转弯通过一定的路况，需要保证转向的灵敏性和较好的指向性，因此需要建立操作摇杆角位移与车轮转角间的线性关系，如图3中AB段所示。
长时间操作运动意图2.1是分析驾驶员对操纵摇杆的长时间操作的运动意图，驾驶员长时间保持一定的操纵摇杆角位移，其运动意图是使车辆以变化较小的转弯半径通过一些较长的连贯弯道，因此需要增大一定角度范围内的操纵摇杆角传动比，使转向控制更稳定，避免车辆左右摆动，同时，在驾驶员结束弯道行驶时，需要调整角传动比，使车辆快速恢复直线行驶，如图3中CD段和图4所示。
轻微操作运动意图2.3是分析驾驶员对操纵摇杆的轻微操作的运动意图，高速行驶时，在变道或长弯道工况，车辆在横向上有轻微的飘移，几乎感觉不到转向，需要较大的角传动比，避免车辆转向幅度过大而失控，如图3中EF段所示。
波动操作运动意图2.4是分析驾驶员的波动操作，在颠簸路面或由于驾驶员肌肉抖动，操纵摇杆会出现类似于白噪声之类的波动，这时操纵摇杆角位移的变化并非驾驶员的意图，因此需要对操纵摇杆角位移输入量进行滤波处理。
Map图2.5是指将上述的长时间操作运动意图2.1、短时间操作运动意图2.2、轻微操作运动意图2.3、波动操作运动意图2.4综合考虑得到的不同车速下，操纵摇杆角位移与车轮转角的关系曲线。
本发明基于驾驶员转向意图，确定了一套输入为操纵摇杆角位移和当前车速，中间量为车轮转角需求，角传动比可变的闭环转向控制方法，角传动比指操纵摇杆角位移与车轮转角之间的比例关系，通过建立操纵摇杆角位移与车轮转角间的线性关系，实现了驾驶员短时间操作的运动意图；通过建立操纵摇杆角位移与车轮转角间的可变角传动比关系，实现了驾驶员长时间操作的运动意图；通过增大操纵摇杆小角位移区域的角传动比，实现了驾驶员高速时轻微操作的运动意图；通过在操纵摇杆角位移变化缓慢的转向区域附近对操纵摇杆角位移做不敏感处理，消除了操纵摇杆角位移波动噪声带来的影响。通过建立操纵摇杆角位移-车轮转角-速度MAP图，实现了车辆驾驶高速转向稳定性和低速转向灵敏性之间的协调。
需要说明的是，在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“滑动”、“转动”、“固定”、“设有”等术语应做广义理解，例如，可以是焊接连接，也可以是螺栓连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (6)
1.一种基于驾驶员转向意图的操纵摇杆变角传动比控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)通过信号实时采集模块采集当前车辆的纵向速度信号、操纵摇杆角位移信号和实际的车轮转角信号；
(2)通过转向意图识别模块对当前纵向车速和操纵摇杆角位移进行判断，综合分析驾驶员的驾驶意图，通过Map图得到所需要的目标车轮转角；
(3)通过PID车辆控制模块，将步骤(2)中转向意图识别模块得到的目标车轮转角和当前实际的车轮转角，一并输入给PID控制系统，实现车辆的转向闭环控制；
在步骤(2)中，所述转向意图识别模块包含有短时间操作运动意图单元、长时间操作运动意图单元、轻微操作运动意图单元和波动操作运动意图单元，短时间操作运动意图单元、长时间操作运动意图单元、轻微操作运动意图单元和波动操作运动意图单元分别与当前车辆的纵向速度和操纵摇杆角位移配合连接，并由MAP图得到目标车轮转角。
2.根据权利要求1所述的基于驾驶员转向意图的操纵摇杆变角传动比控制方法，其特征在于，在步骤(1)中，将采集到当前车辆的纵向速度、操纵摇杆角位移以及车轮转角的单位转化为国际统一单位后输出。
3.根据权利要求1所述的基于驾驶员转向意图的操纵摇杆变角传动比控制方法，其特征在于，所述短时间操作运动意图单元是分析驾驶员对操纵摇杆的短时间操作的运动意图，驾驶员短时间内连续来回操作摇杆，使车辆改变行驶方向以通过弯道多的路况。
4.根据权利要求1所述的基于驾驶员转向意图的操纵摇杆变角传动比控制方法，其特征在于，所述长时间操作运动意图单元是分析驾驶员对操纵摇杆的长时间操作的运动意图，驾驶员长时间保持操纵摇杆角位移，使车辆以变化较小的转弯半径通过较长的连贯弯道。
5.根据权利要求1所述的基于驾驶员转向意图的操纵摇杆变角传动比控制方法，其特征在于，所述轻微操作运动意图单元是分析驾驶员对操纵摇杆的轻微操作的运动意图，驾驶员对操纵摇杆的轻微操作，使车辆变道或略微调整车辆方向。
6.根据权利要求1所述的基于驾驶员转向意图的操纵摇杆变角传动比控制方法，其特征在于，所述波动操作运动意图单元是分析驾驶员的波动操作，对操纵摇杆角位移输入量进行滤波处理。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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