CN115963736A - 一种基于滑模控制的方向盘触觉辅助转矩计算方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于滑模控制的方向盘触觉辅助转矩计算方法和装置，所述方法包括以下步骤：步骤1，建立手臂、方向盘、转向管柱动力学模型；步骤2，定义滑膜输入；步骤3，设计滑膜函数；步骤4，建立驾驶员预瞄模型；步骤5，计算得到触觉辅助转矩。本发明能够基于驾驶员方向盘输出与专家驾驶员模型输出误差，利用滑膜算法实时计算出合适的辅助转矩，当二者输出误差过大或过小时，通过施加辅助转矩，可以引导驾驶员输出更为合适的操作，提高车辆行驶的安全性和稳定性。

Description

一种基于滑模控制的方向盘触觉辅助转矩计算方法和装置

技术领域

本发明属于汽车转向系统技术领域，具体涉及一种基于滑模控制的方向盘触觉辅助转矩计算方法和装置。

背景技术

转向系统是车辆底盘的关键组成部分，其性能与车辆的操纵稳定性、安全性和舒适性密切相关。现阶段转向辅助系统主要有电控液压助力转向、电动助力转向(ElectricPower Steering,EPS)及主动前轮转向(Active Front-wheel Steering,AFS)，这些辅助转向系统均是根据驾驶员操作控制液压或电机在转向系统中施加额外转向力，以此减轻驾驶员的操作负担。但是这些助力转向系统只能改变转向系统中传输到地面方向的转向力，而向驾驶员方向传输的转向反馈力则没有变化，驾驶员仍需要集中注意力完成驾驶任务，因此其本质上仍属于辅助驾驶系统。

人机共驾是介于辅助驾驶和自动驾驶之间的过渡技术，它将驾驶员引入自动驾驶系统的控制环节，监督并参与完成驾驶任务，通过智能算法融合人机操作，在满足主观感受的同时，充分发挥驾驶员和自动驾驶汽车各自的优势。触觉辅助(也称触觉引导)是一种典型的人机共驾系统，其通过控制与驾驶员交互的反馈力/力矩，向驾驶员传递触觉信息，引导驾驶员操作，实现人机协同控制。现有触觉辅助的转矩设计方法主要为比例-积分控制(proportional-integral control,PI)和比例-积分-微分控制(proportional-integral-derivative control,PID)，但由于驾驶员在环带来的系统不确定性，目前的触觉辅助设计存在实际控制效果较差，系统稳定性低，驾驶舒适度差等缺陷。滑模控制是一种特殊的非线性控制方法，其能够根据系统当前的状态快速调整控制输出使系统状态按照预先设计好的滑动模态运动，且滑动模态的设计与控制对象参数及扰动无关，因此其具有响应迅速，鲁棒性强，易于物理实现的优点。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于滑模控制的方向盘触觉辅助转矩计算方法，在保证系统响应速度和稳定性的同时，提高驾驶员驾驶舒适性，帮助驾驶员更有效地操控车辆，所述方法包括以下步骤：

步骤1，建立手臂、方向盘、转向管柱动力学模型；

步骤2，定义滑膜输入；

步骤3，设计滑膜函数；

步骤4，建立驾驶员预瞄模型；

步骤5，计算得到触觉辅助转矩。

步骤1包括：建立如下手臂、方向盘、转向管柱动力学模型：

其中，J_a为手臂转动惯量；J_c为方向盘-转向管柱转动惯量；

为方向盘角加速度；B_a为手臂阻尼系数；B_c为方向盘-转向管柱阻尼系数；

为方向盘转速；K_a为手臂刚度；θ_sw为转角；T_h为驾驶员施加的方向盘转矩；T_s为方向盘转向阻力矩；T_sa为触觉辅助力矩。

步骤2包括：定义滑膜输入为：

其中，e为方向盘转角误差；

为方向盘转速误差；θ_swd为期望方向盘转角；

为期望方向盘转速。

步骤2还包括：将式(1)写成关于滑膜输入的状态方程形式：

其中，x₁为一阶滑膜输入，x₁＝e，

为一阶滑模函数的一阶导数；x₂为二阶滑膜输入，

为二阶滑模函数的一阶导数；f为状态函数，

为期望方向盘角加速度；g为输入函数，

u为状态方程输入，u＝T_sa。

步骤3包括：滑膜函数s设计为：

其中α为一号滑膜函数参数，α>0；β为二号滑模函数参数，β>0；γ₁为三号滑模函数参数，γ₁>γ₂；γ₂为四号滑膜函数参数，1<γ₂<2；sgn(x)为符号函数；

滑模控制率设计为：

其中，K₁为一号滑模趋近率参数，K₁>0；K₂为二号滑模趋近率参数，K₂>0。

步骤3还包括：使用式(5)滑模控制率时，滑模趋近率

为：

为抑制滑模抖振现象，使用饱和函数sat(x)替代式(4)、式(5)和式(6)中的符号函数sgn(x)，饱和函数表示为：

其中，b为饱和函数参数，b>0；

将替换饱和函数后的式(3)代入式(5)得到触觉辅助转矩：

通过改变滑模参数：α，β，γ₁，γ₂，K₁，K₂，能够调整滑模的实际控制效果。

步骤4包括：建立如下驾驶员预瞄模型：

其中，l为拉普拉斯算子，(l)代表l在拉普拉斯域内；θ_swd(l)为期望方向盘转角；τ_L为超前时间常数；τ_d1为延迟时间常数；τ_d2为驾驶员反应延迟时间；G_h驾驶员转向比例增益；ΔY(l)为车辆当前位置与预瞄点处的侧向偏差，表示为：

其中，

为预瞄点处期望路径的侧向位置坐标；Y(l)为当前车辆的侧向位置坐标；φ(l)为车辆航向角；L为预瞄距离，表示为：

L＝v_xτ_p

其中，v_x为车辆当前速度；τ_p为驾驶员预瞄时间；

将式(8)写成状态方程形式：

其中，c为延迟时间算子，

T_d为总延迟时间，T_d＝_d1+_d2；T_p为总预瞄时间，T_p＝_L+_p。

步骤4还包括：利用传感器获取纵向车速v_x，车辆航向角φ，侧向位置偏差Y_d-，使用专家型驾驶员的驾驶特性参数G_h，τ_L，τ_d1，τ_d2，τ_p，依据式(9)获得期望方向盘转角θ_swd，期望方向盘转速

期望方向盘角加速度

步骤5包括：利用传感器获得方向盘转角θ_sw，方向盘转速

结合步骤4的结果计算式(2)滑膜输入；利用传感器获得驾驶员施加的方向盘转矩T_h，方向盘转向阻力矩T_s，将以上数据实际值代入式(7)最终计算得到触觉辅助转矩T_sa。

本发明还提供了一种基于滑模控制的方向盘触觉辅助转矩计算装置，包括：

动力学模型构建模块，用于建立手臂、方向盘、转向管柱动力学模型；

驾驶员预瞄模型建立模块，用于建立专家驾驶员预瞄模型；

滑膜输入定义模块，用于定义并计算滑膜输入；

滑膜函数设计模块，用于设计并计算滑膜函数；

触觉辅助转矩计算模块，用于计算触觉辅助转矩。

本发明还提供了一种存储介质，存储有计算机程序或指令，当所述计算机程序或指令被运行时，实现上述的一种基于滑模控制的方向盘触觉辅助转矩计算方法。

本发明的有益效果在于：

1、本发明能够基于驾驶员方向盘输出与专家驾驶员模型输出误差，利用滑膜算法实时计算出合适的辅助转矩，当二者输出误差过大或过小时，通过施加辅助转矩，可以引导驾驶员输出更为合适的操作，提高车辆行驶的安全性和稳定性。

2、通过应用触觉辅助，可以将专家驾驶员操作以力反馈的形式传递给驾驶员，实现专家驾驶员的驾驶技能迁移，帮助驾驶员尤其是新手驾驶员快速提升驾驶技能。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1是本发明方法流程图。

具体实施方式

本发明提供了一种基于滑模控制的方向盘触觉辅助转矩计算方法，包括如下步骤：

步骤1)建立手臂-方向盘-转向管柱动力学模型：

式中，J_a为手臂转动惯量；J_c为方向盘-转向管柱转动惯量；

为方向盘角加速度；B_a为手臂阻尼系数；B_c为方向盘-转向管柱阻尼系数；

为方向盘转速；K_a为手臂刚度；θ_sw为转角；T_h为驾驶员施加的方向盘转矩；T_s为方向盘转向阻力矩；T_sa为触觉辅助力矩；

2)定义滑膜输入为：

式中，e为方向盘转角误差；

为方向盘转速误差；θ_swd为期望方向盘转角；

为期望方向盘转速；

将式(1)写成关于滑膜输入的状态方程形式：

其中，x₁为一阶滑膜输入，x₁＝e，

为一阶滑模函数的一阶导数；x₂为二阶滑膜输入，

为二阶滑模函数的一阶导数；f为状态函数，

为期望方向盘角加速度；g为输入函数，

u为状态方程输入，u＝T_sa；

3)滑膜函数设计为：

式中，s为滑模函数；α为一号滑膜函数参数，α>0；β为二号滑模函数参数，β>0；γ₁为三号滑模函数参数，γ₁>γ₂；γ₂为四号滑膜函数参数，1<γ₂<2；sgn(x)为符号函数；

滑模控制率设计为：

式中，K₁为一号滑模趋近率参数，K₁>0；K₂为二号滑模趋近率参数，K₂>0；

使用式(5)滑模控制率时，滑模趋近率为：

为抑制滑模抖振现象，使用饱和函数sat(x)替代式(4)，式(5)和式(6)中的符号函数sgn(x)，饱和函数表示为：

式中，b为饱和函数参数，b>0；

将替换饱和函数后的式(3)代入式(5)得到触觉辅助转矩：

通过改变滑模参数：α，β，γ₁，γ₂，K₁，K₂，可调整滑模的实际控制效果；

4)本发明中的期望方向盘转角θ_swd，期望方向盘转速

期望方向盘角加速度

的获取方法包括但不限于：基于专家驾驶特性参数的驾驶员预瞄模型法，基于专家驾驶数据的神经网络黑箱驾驶员模型法等，基于专家驾驶特性参数的驾驶员预瞄模型法叙述如下：

建立驾驶员预瞄模型：

式中，l为拉普拉斯算子，(l)代表该变量在拉普拉斯域内；θ_xwd(l)为期望方向盘转角；τ_L为超前时间常数；τ_d1为延迟时间常数；τ_d2为驾驶员反应延迟时间；G_h驾驶员转向比例增益；ΔY(l)为车辆当前位置与预瞄点处的侧向偏差，表示为：

ΔY(l)＝(l)e^τpl-(l)-φ(l)

式中，

为预瞄点处期望路径的侧向位置坐标；Y(l)为当前车辆的侧向位置坐标；φ(l)为车辆航向角；L为预瞄距离，表示为：

L＝v_xτ_p

式中，v_x为车辆当前速度；τ_p为驾驶员预瞄时间；

将式(8)写成状态方程形式：

式中，c为延迟时间算子，

T_d为总延迟时间，T_d＝_d1+_d2；T_p为总预瞄时间，T_p＝_L+_p；

利用传感器获取纵向车速v_x，车辆航向角φ，侧向位置偏差Y_d-，使用专家型驾驶员的驾驶特性参数G_h，τ_L，τ_d1，τ_d2，τ_p，即可依据式(9)获得期望方向盘转角θ_swd，期望方向盘转速

期望方向盘角加速度

5)利用传感器获得方向盘转角θ_sw，方向盘转速

结合4)结果计算式(2)滑膜输入；利用传感器获得驾驶员施加的方向盘转矩T_h，方向盘转向阻力矩T_s；将以上数据实际值代入式(7)最终计算得到触觉辅助转矩T_sa。

实施例

本实施例流程示意图如图1所示，针对线控转向汽车，建立手臂-方向盘-转向管柱动力学模型和参考专家驾驶员模型，设计滑模算法，同时利用轮速传感器，车辆位置传感器，方向盘转角传感器，方向盘转速传感器，方向盘力传感器信息确定建立滑模控制系统的输入，并计算辅助转矩，具体为：

1.通过传感器得到驾驶员方向盘转角输入θ_sw为0.616rad，方向盘转速输入

为0.913rad/s，纵向车速v_x为15m/s，车辆航向角φ为-0.106rad，侧向位置偏差Y_d-为0.332m，此处通过基于硬件方向盘转向系统与Matlab软件建立的Simulink与Carsim和PreScan硬件在环联合仿真平台得到，计算此时专家驾驶员模型输出：

式中，专家驾驶员特性参数设置为G_h＝0.607，τ_L＝0.12，τ_d1＝0.05，τ_d2＝0.086，τ_p＝0.931，即T_d＝0.136，c＝0.232，T_p＝1.051；

此时期望方向盘转角θ_swd为0.401rad；期望方向盘转速

为0.370rad/s；期望方向盘角加速度

为-1.236rad/s²；

2.计算滑模输入：

设计滑模函数参数，并根据误差计算滑模函数：

式中，α为一号滑膜函数参数，3.2；β为二号滑模函数参数，1.75；γ₁为三号滑模函数参数，2.15；γ₂为四号滑膜函数参数，1.9；

为饱和函数，b＝10；

此时滑模函数s为0.859；

设计滑膜趋近率参数，并根据滑膜函数值计算滑模输出：

式中，J_a为手臂转动惯量，0.064；J_c为方向盘-转向管柱转动惯量，0.172；B_a为手臂阻尼系数，0.56；B_c为方向盘-转向管柱阻尼系数，0.57；K_a为手臂刚度，3.8；K₁为一号滑模趋近率参数，1.5；K₂为二号滑模趋近率参数，3.2；

通过上述计算，即可得到触觉辅助转矩T_sa，大小为1.369N·m，证实了该方法能为驾驶员提供合适的辅助转矩，引导驾驶员输出更为合适的操作，进而提高车辆行驶的安全性和稳定性。

具体实现中，本申请提供计算机存储介质以及对应的数据处理单元，其中，该计算机存储介质能够存储计算机程序，所述计算机程序通过数据处理单元执行时可运行本发明提供的一种基于滑模控制的方向盘触觉辅助转矩计算方法的发明内容以及各实施例中的部分或全部步骤。所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-only memory，ROM)或随机存储记忆体(random access memory，RAM)等。

本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明实施例中的技术方案可借助计算机程序以及其对应的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明实施例中的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以计算机程序即软件产品的形式体现出来，该计算机程序软件产品可以存储在存储介质中，包括若干指令用以使得一台包含数据处理单元的设备(可以是个人计算机，服务器，单片机。MUU或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本发明提供了一种基于滑模控制的方向盘触觉辅助转矩计算方法和装置，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (10)

1.一种基于滑模控制的方向盘触觉辅助转矩计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，建立手臂、方向盘、转向管柱动力学模型；

步骤2，定义滑膜输入；

步骤3，设计滑膜函数；

步骤4，建立驾驶员预瞄模型；

步骤5，计算得到触觉辅助转矩。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1包括：建立如下手臂、方向盘、转向管柱动力学模型：

其中，J_a为手臂转动惯量；J_c为方向盘-转向管柱转动惯量；

为方向盘角加速度；B_a为手臂阻尼系数；B_c为方向盘-转向管柱阻尼系数；

为方向盘转速；K_a为手臂刚度；θ_sw为转角；T_h为驾驶员施加的方向盘转矩；T_s为方向盘转向阻力矩；T_sa为触觉辅助力矩。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤2包括：定义滑膜输入为：

其中，e为方向盘转角误差；

为方向盘转速误差；θ_swd为期望方向盘转角；

为期望方向盘转速。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤2还包括：将式(1)写成关于滑膜输入的状态方程形式：

其中，x₁为一阶滑膜输入，x₁＝e，

为一阶滑模函数的一阶导数；x₂为二阶滑膜输入，

为二阶滑模函数的一阶导数；f为状态函数，

为期望方向盘角加速度；g为输入函数，

u为状态方程输入，u＝T_sa。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤3包括：滑膜函数s设计为：

其中α为一号滑膜函数参数，α>0；β为二号滑模函数参数，β>0；γ₁为三号滑模函数参数，γ₁>γ₂；γ₂为四号滑膜函数参数，1<γ₂<2；sgn(x)为符号函数；

滑模控制率设计为：

其中，K₁为一号滑模趋近率参数，K₁>0；K₂为二号滑模趋近率参数，K₂>0。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤3还包括：使用式(5)滑模控制率时，滑模趋近率

为：

为抑制滑模抖振现象，使用饱和函数sat(x)替代式(4)、式(5)和式(6)中的符号函数sgn(x)，饱和函数表示为：

其中，b为饱和函数参数，b>0；

将替换饱和函数后的式(3)代入式(5)得到触觉辅助转矩：

通过改变滑模参数：α，β，γ₁，γ₂，K₁，K₂，能够调整滑模的实际控制效果。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤4包括：建立如下驾驶员预瞄模型：

其中，l为拉普拉斯算子，(l)代表l在拉普拉斯域内；θ_swd(l)为期望方向盘转角；τ_L为超前时间常数；τ_d1为延迟时间常数；τ_d2为驾驶员反应延迟时间；G_h驾驶员转向比例增益；ΔY(l)为车辆当前位置与预瞄点处的侧向偏差，表示为：

其中，

为预瞄点处期望路径的侧向位置坐标；Y(l)为当前车辆的侧向位置坐标；φ(l)为车辆航向角；L为预瞄距离，表示为：

L＝v_xτ_p

其中，v_x为车辆当前速度；τ_p为驾驶员预瞄时间；

将式(8)写成状态方程形式：

其中，c为延迟时间算子，

T_d为总延迟时间，T_d＝τ_d1+τ_d2；T_p为总预瞄时间，T_p＝τ_L+τ_p。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤4还包括：利用传感器获取纵向车速v_x，车辆航向角φ，侧向位置偏差Y_d-Y，使用专家型驾驶员的驾驶特性参数G_h，τ_L，τ_d1，τ_d2，τ_p，依据式(9)获得期望方向盘转角θ_swd，期望方向盘转速

期望方向盘角加速度

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤5包括：利用传感器获得方向盘转角θ_sw，方向盘转速

结合步骤4的结果计算式(2)滑膜输入；利用传感器获得驾驶员施加的方向盘转矩T_h，方向盘转向阻力矩T_s，将以上数据实际值代入式(7)最终计算得到触觉辅助转矩T_sa。

10.一种基于滑模控制的方向盘触觉辅助转矩计算装置，其特征在于，包括：

动力学模型构建模块，用于建立手臂、方向盘、转向管柱动力学模型；

驾驶员预瞄模型建立模块，用于建立专家驾驶员预瞄模型；

滑膜输入定义模块，用于定义并计算滑膜输入；

滑膜函数设计模块，用于设计并计算滑膜函数；

触觉辅助转矩计算模块，用于计算触觉辅助转矩。

Images