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汽車高速行駛時(shí)自動(dòng)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(dòng)之家  
　
作者：來 飛，葉 心；重慶理工大學(xué)，汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室［摘要］通過建立汽車避撞質(zhì)點(diǎn)模型，對(duì)3種不同避撞方式的有效性進(jìn)行了對(duì)比分析。計(jì)
作者：來 飛，葉 心；重慶理工大學(xué)，汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

［摘要］通過建立汽車避撞質(zhì)點(diǎn)模型，對(duì)3種不同避撞方式的有效性進(jìn)行了對(duì)比分析。計(jì)算結(jié)果表明，車輛在高速緊急避撞時(shí)，轉(zhuǎn)向避撞所需的縱向距離比制動(dòng)避撞小，且與制動(dòng)加轉(zhuǎn)向聯(lián)合避撞的結(jié)果較為接近。據(jù)此，設(shè)計(jì)了前饋與反饋相結(jié)合的自動(dòng)轉(zhuǎn)向避撞控制器。選取過渡較為平緩的七次多項(xiàng)式參考路徑，結(jié)合線性2自由度轉(zhuǎn)向動(dòng)力學(xué)模型，從而得出前饋車輪轉(zhuǎn)角。同時(shí)，以車輛實(shí)際路徑相對(duì)參考路徑的側(cè)向位移偏差作為反饋，進(jìn)行PID反饋控制器的設(shè)計(jì)。最后對(duì)所開發(fā)的控制器進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的前饋與反饋跟蹤控制器具有較好的實(shí)際跟蹤效果、高魯棒性和較強(qiáng)的抵御側(cè)向風(fēng)等外界干擾的能力，從而能實(shí)現(xiàn)有效避撞。
前言
隨著人們對(duì)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(diǎn)。汽車高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（advanced driving assistance system，ADAS）作為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(xiǎn)工況下采取全自動(dòng)制動(dòng)或轉(zhuǎn)向操作。自動(dòng)緊急制動(dòng)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(tái)了營運(yùn)車輛相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)。
但在某些場(chǎng)景中，面對(duì)突然出現(xiàn)的障礙物，即使緊急制動(dòng)也無法避免事故發(fā)生。此時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)向操作則有可能避免事故。因此，自動(dòng)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(shí)現(xiàn)避撞的市場(chǎng)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(jiǎn)單的車輛線性2自由度動(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)向、前輪制動(dòng)轉(zhuǎn)向和后輪制動(dòng)轉(zhuǎn)向；Bevan等則研究車輛平面轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)學(xué)，以圓弧過渡的避撞路徑為參考軌跡，結(jié)合制動(dòng)與轉(zhuǎn)向控制方法，使車輛能自動(dòng)通過較為嚴(yán)格的ISO雙移線法規(guī)測(cè)試；Schorn通過S函數(shù)路徑規(guī)劃，對(duì)有制動(dòng)干預(yù)與無制動(dòng)干預(yù)的避撞跟蹤控制進(jìn)行了對(duì)比研究；Yuan等利用模型預(yù)測(cè)控制方法，對(duì)主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向和獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)矩控制的高速避撞效果進(jìn)行了仿真研究；王其東等利用3自由度車輛動(dòng)力學(xué)模型，基于有限元路徑分割和動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)路徑跟蹤算法，對(duì)車輛緊急避撞過程中的縱向與側(cè)向力分配規(guī)律進(jìn)行了研究；Gao等采用改進(jìn)的哈密頓算法，通過上層質(zhì)點(diǎn)模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，下層采用非線性3自由度動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)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(jiǎn)化，不能真實(shí)反映實(shí)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(duì)上述問題，本文中首先通過建立車輛質(zhì)點(diǎn)模型，對(duì)車輛轉(zhuǎn)向避撞與制動(dòng)避撞的有效性進(jìn)行了對(duì)比分析，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了自動(dòng)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(xiàng)式規(guī)劃路徑，在前饋控制器的設(shè)計(jì)中利用較簡(jiǎn)單的2自由度車輛轉(zhuǎn)向動(dòng)力學(xué)模型，在反饋控制器的設(shè)計(jì)中則利用魯棒性較強(qiáng)的PID控制算法。最后，在控制算法的驗(yàn)證上，選取車輛轉(zhuǎn)向與懸架統(tǒng)一動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)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(dòng)避撞的有效性對(duì)比分析
為評(píng)估與對(duì)比轉(zhuǎn)向避撞和制動(dòng)避撞的效果，建立車輛避撞質(zhì)點(diǎn)模型并進(jìn)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(yùn)動(dòng)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(diǎn)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(yùn)動(dòng)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(shí)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(shí)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(dòng)避撞、轉(zhuǎn)向避撞、制動(dòng)＋轉(zhuǎn)向聯(lián)合避撞。則系統(tǒng)輸入和約束條件（即車輛t時(shí)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(duì)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(jì)算結(jié)果如圖2和圖3所示。可以看出，當(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(shí)，通過轉(zhuǎn)向避撞所需的縱向距離要比通過制動(dòng)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(shì)越明顯。而制動(dòng)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(shí)，通過轉(zhuǎn)向操縱進(jìn)行避撞的綜合性能更優(yōu)，同時(shí)也與實(shí)際情況較吻合，故下面主要針對(duì)轉(zhuǎn)向避撞進(jìn)行研究。
 
 
圖2 最小縱向避撞距離（μ＝0.85，a＝3.5 m）
 
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