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汽車高速行駛時自動緊急轉(zhuǎn)向避撞的前饋與反饋跟蹤控制的研究

2021-09-12 20:09:05·  來源：汽車制動之家  
　
作者：來 飛，葉 心；重慶理工大學(xué)，汽車零部件先進制造技術(shù)教育部重點實驗室［摘要］通過建立汽車避撞質(zhì)點模型，對3種不同避撞方式的有效性進行了對比分析。計
作者：來 飛，葉 心；重慶理工大學(xué)，汽車零部件先進制造技術(shù)教育部重點實驗室

［摘要］通過建立汽車避撞質(zhì)點模型，對3種不同避撞方式的有效性進行了對比分析。計算結(jié)果表明，車輛在高速緊急避撞時，轉(zhuǎn)向避撞所需的縱向距離比制動避撞小，且與制動加轉(zhuǎn)向聯(lián)合避撞的結(jié)果較為接近。據(jù)此，設(shè)計了前饋與反饋相結(jié)合的自動轉(zhuǎn)向避撞控制器。選取過渡較為平緩的七次多項式參考路徑，結(jié)合線性2自由度轉(zhuǎn)向動力學(xué)模型，從而得出前饋車輪轉(zhuǎn)角。同時，以車輛實際路徑相對參考路徑的側(cè)向位移偏差作為反饋，進行PID反饋控制器的設(shè)計。最后對所開發(fā)的控制器進行了仿真驗證，結(jié)果表明，所設(shè)計的前饋與反饋跟蹤控制器具有較好的實際跟蹤效果、高魯棒性和較強的抵御側(cè)向風(fēng)等外界干擾的能力，從而能實現(xiàn)有效避撞。
前言
隨著人們對汽車安全要求的不斷提高，智能汽車及其控制領(lǐng)域已逐漸成為研究熱點。汽車高級駕駛輔助系統(tǒng)（advanced driving assistance system，ADAS）作為實現(xiàn)自動駕駛汽車的重要技術(shù)支撐，在緊急工況下向駕駛員提供預(yù)警，并在即將發(fā)生碰撞等危險工況下采取全自動制動或轉(zhuǎn)向操作。自動緊急制動系統(tǒng)（automatic emergency braking，AEB）可減輕車輛碰撞的受損程度，甚至在某些工況下可完全避免發(fā)生碰撞。我國也出臺了營運車輛相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)。
但在某些場景中，面對突然出現(xiàn)的障礙物，即使緊急制動也無法避免事故發(fā)生。此時進行轉(zhuǎn)向操作則有可能避免事故。因此，自動緊急轉(zhuǎn)向控制是解決避撞問題的另一有效措施，然而至今為止，通過轉(zhuǎn)向控制來實現(xiàn)避撞的市場產(chǎn)品依然較少。部分研究人員在此方面開展了相關(guān)研究工作。Alleyne通過簡單的車輛線性2自由度動力學(xué)模型，結(jié)合最優(yōu)控制方法比較了5種避撞方式的效果，即前輪轉(zhuǎn)向、四輪轉(zhuǎn)向、四輪制動轉(zhuǎn)向、前輪制動轉(zhuǎn)向和后輪制動轉(zhuǎn)向；Bevan等則研究車輛平面轉(zhuǎn)向運動學(xué)，以圓弧過渡的避撞路徑為參考軌跡，結(jié)合制動與轉(zhuǎn)向控制方法，使車輛能自動通過較為嚴(yán)格的ISO雙移線法規(guī)測試；Schorn通過S函數(shù)路徑規(guī)劃，對有制動干預(yù)與無制動干預(yù)的避撞跟蹤控制進行了對比研究；Yuan等利用模型預(yù)測控制方法，對主動前輪轉(zhuǎn)向和獨立車輪轉(zhuǎn)矩控制的高速避撞效果進行了仿真研究；王其東等利用3自由度車輛動力學(xué)模型，基于有限元路徑分割和動態(tài)預(yù)測路徑跟蹤算法，對車輛緊急避撞過程中的縱向與側(cè)向力分配規(guī)律進行了研究；Gao等采用改進的哈密頓算法，通過上層質(zhì)點模型進行運動規(guī)劃，下層采用非線性3自由度動力學(xué)模型進行最優(yōu)控制分配。上述研究中采用的大多數(shù)車輛模型都過于簡化，不能真實反映實際車輛的跟蹤性能，另外也未考慮車輛在避撞過程中的外界干擾，如側(cè)向風(fēng)等。
針對上述問題，本文中首先通過建立車輛質(zhì)點模型，對車輛轉(zhuǎn)向避撞與制動避撞的有效性進行了對比分析，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了自動轉(zhuǎn)向避撞的前饋與反饋控制系統(tǒng)總體框架，選取過渡較為緩和的七次多項式規(guī)劃路徑，在前饋控制器的設(shè)計中利用較簡單的2自由度車輛轉(zhuǎn)向動力學(xué)模型，在反饋控制器的設(shè)計中則利用魯棒性較強的PID控制算法。最后，在控制算法的驗證上，選取車輛轉(zhuǎn)向與懸架統(tǒng)一動力學(xué)模型，進行了有側(cè)向風(fēng)干擾的車輛避撞仿真，表明所提出的控制算法合理可行。
1 轉(zhuǎn)向避撞與制動避撞的有效性對比分析
為評估與對比轉(zhuǎn)向避撞和制動避撞的效果，建立車輛避撞質(zhì)點模型并進行分析，如圖1所示。其中，車輛坐標(biāo)系為xoy，地面坐標(biāo)系為XOY，汽車在XOY坐標(biāo)系下的運動方程為
 
 
式中：m為整車質(zhì)量；φ為車輛航向角；Fx和Fy分別為車輛坐標(biāo)系下輪胎作用在車輛質(zhì)心處沿x和y方向的合外力。
 
 
圖1 車輛避撞質(zhì)點模型
由輪胎物理特性和牛頓第二定律可得
 
 
式中：ax、ay分別為車輛的縱向和側(cè)向加速度；ax，max、ay，max分別為車輛的縱向最大加速度和側(cè)向最大加速度；μ為路面附著系數(shù)；g為重力加速度。
引入狀態(tài)變量ζ＝［X，Y，υX，υY］，系統(tǒng)輸入u＝［Fx，F(xiàn)y］，則車輛避撞運動的狀態(tài)方程可寫為
 
 
假定車輛避撞前的初始狀態(tài)為X（0）＝X0，Y（0）＝Y(jié)0，vX（0）＝vX0，vY（0）＝vY0，避撞結(jié)束時刻t的狀態(tài)為X（t）＝Xt，Y（t）＝Y(jié)t，vX（t）＝vXt，vY（t）＝vYt。設(shè)系統(tǒng)初始時刻狀態(tài)為［0，0，vx，0］，以使車輛所需的縱向避撞距離最小，即求出系統(tǒng)輸入u使Xt最小。
考慮通過3種不同的操縱方式來完成避撞操作，即制動避撞、轉(zhuǎn)向避撞、制動＋轉(zhuǎn)向聯(lián)合避撞。則系統(tǒng)輸入和約束條件（即車輛t時刻的狀態(tài)約束）如表1所示，其中a為車輛避撞所需側(cè)向距離。
 
表1 不同避撞方式下的系統(tǒng)輸入和約束條件
 
采用Matlab中的優(yōu)化工具fminbnd，對不同車速下的3種避撞方式分別求解。不同路面附著系數(shù)的計算結(jié)果如圖2和圖3所示?？梢钥闯觯?dāng)車輛在高速情況下（本文中特指車速大于等于80 km/h）緊急避撞時，通過轉(zhuǎn)向避撞所需的縱向距離要比通過制動避撞所需的縱向距離小，車速越高、路面附著系數(shù)越小，優(yōu)勢越明顯。而制動與轉(zhuǎn)向聯(lián)合避撞要比通過轉(zhuǎn)向避撞所需的縱向距離稍小，在低附著路面上的結(jié)果較接近。因此，當(dāng)汽車在高速緊急避撞時，通過轉(zhuǎn)向操縱進行避撞的綜合性能更優(yōu)，同時也與實際情況較吻合，故下面主要針對轉(zhuǎn)向避撞進行研究。
 
 
圖2 最小縱向避撞距離（μ＝0.85，a＝3.5 m）
 
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