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CN111086510B - 一种基于预测函数控制的前轮转向车辆车道保持控制方法 - Google Patents

一种基于预测函数控制的前轮转向车辆车道保持控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于预测函数控制的前轮转向车辆车道保持控制方法，包括如下步骤：确定车辆的物理参数；根据车辆的动力学关系建立偏差状态空间模型；根据车辆当前所处位置，获得车辆的参考行驶状态；采集车辆的实际行驶状态，计算当前时刻的横向偏差；使用预测函数控制方法计算前轮转角以保证车辆在车道中心线行驶；将计算出的前轮转向角度送给转角控制执行单元，滚动优化求解。利用本发明方法，能够使前轮转角车辆在各类道路上保持在车道中心行驶，车辆可以迅速响应车道中心线的变化，同时具有超调量小，稳定等优点。

Description

一种基于预测函数控制的前轮转向车辆车道保持控制方法
技术领域
本发明属于车辆控制系统中的车辆横向运动控制领域，尤其是涉及一种基于预测函数控制的前轮转向车辆车道保持控制方法。
背景技术
随着经济和汽车工业的快速发展，车辆生产和消费扩大，越来越多的汽车走进千家万户，随着汽车数量的不断增加，致使交通拥堵，突发事故等问题日益突出。
自动驾驶中的智能辅助驾驶技术可以辅助驾驶员使得车辆的行驶更加安全、高效，其中的自动车道保持系统侧重于车辆的侧向控制，保证车辆沿着车道中心线行驶。
随着辅助驾驶技术对车辆的横向控制要求越来越高，车辆车道保持系统逐渐得到了国内外学者的广泛关注。
针对车辆车道保持，不少学者设计了相应的转向控制策略：考虑汽车侧向动力学的参数时变问题，设计基于BP神经网络的PID车道保持控制算法；针对车辆模型的不确定性，研究了自适应的转向控制算法，但参数的在线辨识给控制算法的实现带来诸多不便；针对车辆行驶过程中的速度扰动，研究了基于模糊Takagi-Sugeno(T-S)的车道保持控制率，虽然该算法对模型精确度的要求较低，但控制的精度也不高。
基于上述公开的现有技术，如果能够找到一种算法简单、计算量小、跟踪快速、精度高的车辆转向控制方法，使车辆能够以极小的偏差保持在车道中心线附近行驶，将会具有非常重要的实际价值。预测函数控制(Predictive Functional Control)方法则是一种能够响应快速过程，同时继承了预测控制算法优点的新型预测控制算法，十分适合应用于车辆车道保持控制系统。
发明内容
本发明提供了一种基于预测函数控制的前轮转向车辆车道保持控制方法，能够适用于各类道路曲线的车辆车道保持，普遍适用于各类车型，只需获取车辆和道路信息，无需过程操控知识。
一种基于预测函数控制的前轮转向车辆车道保持控制方法，包括以下步骤：
(1)确定车辆的物理参数，包括汽车质量m，前轴距离重心的距离lf，后轴距离重心的距离lr，汽车的转动惯量Iz，前轮的侧偏刚度Caf，后轮的侧偏刚度Car；
(2)根据车辆动力学关系建立车辆横向偏差状态空间模型；
(3)根据车辆当前所处位置，获得车辆的参考行驶状态；
(4)采集车辆的实际行驶状态，计算当前时刻实际行驶状态与参考行驶状态的横向偏差；
(5)根据当前时刻的横向偏差，使用预测函数控制方法计算车辆的前轮转角以保证车辆在车道中心线行驶；
(6)将计算得到的转向角输入给车辆的转向控制执行单元；
(7)根据设置的控制周期，重复步骤3到步骤6，控制车辆沿车道中心行驶。
步骤(2)中，建立车辆横向偏差状态空间模型的具体步骤如下：
(2-1)建立如下车辆横向动力学状态空间模型：
Figure BDA0002345206170000021
其中，y表示车辆横向位置，
Figure BDA0002345206170000022
表示车辆横向速度，ψ表示车辆航向角，
Figure BDA0002345206170000023
表示车辆航向角速度，Vx表示车辆纵向速度，δ表示车辆前轮转向角，Caf和Car表示前、后轮的侧偏刚度，lf和lr表示前、后轴距离重心的距离，Iz表示汽车的转动惯量，m表示汽车的质量；
(2-2)将车辆横向动力学状态空间模型转换为车辆横向偏差状态空间模型：
Figure BDA0002345206170000031
其中，e1表示车辆到道路中心线的横向距离偏差，
Figure BDA0002345206170000032
表示车辆到道路中心线的横向距离偏差的导数，e2表示车辆与道路参考点的航向角度偏差，
Figure BDA0002345206170000036
表示车辆与道路参考点的航向角度偏差的导数，
Figure BDA0002345206170000033
表示道路参考点的期望航向角速度；
(2-3)设置采样周期为T，将步骤(2-2)中的车辆横向偏差状态空间模型离散化，得到
Figure BDA0002345206170000034
其中，e1(k)表示为k时刻车辆到道路中心线的横向距离偏差，
Figure BDA0002345206170000035
表示为k时刻车辆到道路中心线的横向距离偏差的导数，e2(k)表示为k时刻车辆与道路参考点的航向角度偏差，
Figure BDA0002345206170000041
表示为k时刻车辆与道路参考点的航向角度偏差的导数；k表示当前时刻，k+1表示下一时刻，以此类推。
步骤(3)中，车辆的参考行驶状态包括：全局横坐标Xdes、全局纵坐标Ydes、全局航向角ψdes和全局航向角速度
Figure BDA0002345206170000042
步骤(4)中，所述横向偏差的计算方法为：
Figure BDA0002345206170000043
Figure BDA0002345206170000044
其中，Vy表示车辆横向速度。
步骤(5)中，使用预测函数控制方法计算车辆的前轮转角的具体步骤如下：
(5-1)使用离散后的车辆横向偏差状态空间模型构造模型预测方程，
Figure BDA0002345206170000045
其中，ny表示预测步长，ξm(k)表示为k时刻的车辆横向偏差模型值，矩阵A，B，G含义如下：
Figure BDA0002345206170000046
Figure BDA0002345206170000051
(5-2)求解下式计算出前轮转角，
Figure BDA0002345206170000052
其中，ξp(k)表示为k时刻的车辆横向偏差实际值，
Figure BDA0002345206170000053
Figure BDA0002345206170000054
Figure BDA0002345206170000055
λ表示期望响应时间。
步骤(7)中，所述的控制周期等于采样周期T。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过车辆侧向运动规律和轮胎侧偏特性建立车辆横向动力学状态空间模型，更有利于优化与控制。
2、本发明根据实际值和预测值，设定一条参考轨迹，使其渐进趋近于未来设定值，令输出平缓的到达设定点，具有更小的超调。
3、本发明的方法能够实时滚动优化以及反馈校正，减少道路跟踪误差。
4、本发明利用预测函数控制对车辆车道保持系统进行控制，算法更加简单，计算量小，跟踪快速，精度高。
5、本发明的方法，车辆进行自我控制，无需人工干预，是对车辆智能辅助技术的一个重要补充。
附图说明
图1为本发明实施例中车辆车道保持实验车道示意图；
图2为本发明一种基于预测函数控制的前轮转向车辆车道保持控制方法的流程图；
图3为本发明实施例车辆车道保持实验中的车辆实际位置示意图；
图4为本发明实施例车辆车道保持实验中的车辆横向偏差示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
本实施例以某前轮转向轿车为例，车辆需要驶过一条弯道，如图1所示，弯道由两条直道拼接一条圆弧组成，直道50m，弯道对应的道路曲率半径为100m，弯道转角90度。
如图2所示，一种基于预测函数控制的前轮转向车辆车道保持控制方法，包括：
步骤1，确定车辆的物理参数，包括汽车质量m＝1573kg，前轴、后轴与重心的距离lf＝1.1m和lr＝1.58m，汽车的转动惯量Iz＝2873kg·m2，前、后轮的侧偏刚度Caf＝80kN/rad，Car＝80kN/rad；
步骤2，根据车辆动力学关系建立车辆横向偏差状态空间模型，其中建立车辆横向偏差状态空间模型的具体实施方式为：
步骤2-1，建立如下车辆横向动力学状态空间模型
Figure BDA0002345206170000061
其中，y表示车辆横向位置，
Figure BDA0002345206170000063
表示车辆横向速度，ψ表示车辆航向角，
Figure BDA0002345206170000062
表示车辆航向角速度，Vx表示车辆纵向速度，δ表示车辆前轮转向角，Caf和Car表示前、后轮的侧偏刚度，lf和lr表示前、后轴距离重心的距离，Iz表示汽车的转动惯量，m表示汽车的质量。
步骤2-2，将车辆横向动力学状态空间模型转换为车辆横向偏差状态空间模型：
Figure BDA0002345206170000071
其中，e1表示车辆到道路中心线的横向距离偏差，
Figure BDA0002345206170000072
表示e1的导数，e2表示车辆与道路参考点的航向角度偏差，
Figure BDA0002345206170000073
表示e2的导数，
Figure BDA0002345206170000074
表示道路参考点的期望航向角速度。
步骤2-3，设置采样周期为T＝80ms，将步骤2-2中的车辆横向偏差状态空间模型离散化，得到
Figure BDA0002345206170000075
其中，e1(k)表示为k时刻车辆到道路中心线的横向距离偏差，
Figure BDA0002345206170000076
表示为k时刻车辆到道路中心线的横向距离偏差的导数，e2(k)表示为k时刻车辆与道路参考点的航向角度偏差，
Figure BDA0002345206170000077
表示为k时刻车辆与道路参考点的航向角度偏差的导数，以此类推。
步骤3，根据车辆当前所处位置，获得车辆的参考行驶状态；包括全局横坐标Xdes，全局纵坐标Ydes，全局航向角ψdes，全局航向角速度
Figure BDA0002345206170000081
步骤4，计算当前时刻的横向偏差的方法为
Figure BDA0002345206170000082
Figure BDA0002345206170000083
其中Vy表示车辆横向速度。
步骤5，使用预测函数控制方法计算车辆的前轮转角以保证车辆在车道中心线行驶；其中使用预测函数控制计算车辆的前轮转角的具体实施方式为：
步骤5-1，使用离散后的车辆横向偏差状态空间模型构造模型预测方程，
Figure BDA0002345206170000084
其中，ny表示预测步长，ξm(k)表示为k时刻的车辆横向偏差模型值，矩阵A，B，G含义如下：
Figure BDA0002345206170000085
Figure BDA0002345206170000091
步骤5-2，求解下式计算出前轮转角，
Figure BDA0002345206170000092
其中，ξp(k)表示为k时刻的车辆横向偏差实际值，
Figure BDA0002345206170000093
Figure BDA0002345206170000094
Figure BDA0002345206170000095
λ表示期望响应时间。
步骤6，将计算得到的转向角输入给车辆的转向控制执行单元。
步骤7，控制周期等于采样周期，同样为80ms，重复步骤3至步骤6，控制车辆沿车道中心行驶。
最终控制效果如图3和图4所示，车辆在进入弯道后，产生左转信号，使车辆迅速回到车道中心线附近，在出弯之后，车辆又逐渐转回正方向，进入出弯后的直道，并沿车辆中心线行驶。使用本发明方法控制车辆保持沿车道行驶可以很好的响应车道的变化，同时具有超调量小，反应迅速等优点。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于预测函数控制的前轮转向车辆车道保持控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)确定车辆的物理参数，包括汽车质量m，前轴距离重心的距离lf，后轴距离重心的距离lr，汽车的转动惯量Iz，前轮的侧偏刚度Caf，后轮的侧偏刚度Car；
(2)根据车辆动力学关系建立车辆横向偏差状态空间模型；具体步骤如下：
(2-1)建立如下车辆横向动力学状态空间模型：
Figure FDA0002936925430000011
其中，y表示车辆横向位置，
Figure FDA0002936925430000012
表示车辆横向速度，ψ表示车辆航向角，
Figure FDA0002936925430000013
表示车辆航向角速度，Vx表示车辆纵向速度，δ表示车辆前轮转向角，Caf和Car表示前、后轮的侧偏刚度，lf和lr表示前、后轴距离重心的距离，Iz表示汽车的转动惯量，m表示汽车的质量；
(2-2)将车辆横向动力学状态空间模型转换为车辆横向偏差状态空间模型：
Figure FDA0002936925430000021
其中，e1表示车辆到道路中心线的横向距离偏差，
Figure FDA0002936925430000022
表示车辆到道路中心线的横向距离偏差的导数，e2表示车辆与道路参考点的航向角度偏差，
Figure FDA0002936925430000023
表示车辆与道路参考点的航向角度偏差的导数，
Figure FDA0002936925430000024
表示道路参考点的期望航向角速度；
(2-3)设置采样周期为T，将步骤(2-2)中的车辆横向偏差状态空间模型离散化，得到
Figure FDA0002936925430000025
其中，e1(k)表示为k时刻车辆到道路中心线的横向距离偏差，
Figure FDA0002936925430000026
表示为k时刻车辆到道路中心线的横向距离偏差的导数，e2(k)表示为k时刻车辆与道路参考点的航向角度偏差，
Figure FDA0002936925430000027
表示为k时刻车辆与道路参考点的航向角度偏差的导数，以此类推；
(3)根据车辆当前所处位置，获得车辆的参考行驶状态；
(4)采集车辆的实际行驶状态，计算当前时刻实际行驶状态与参考行驶状态的横向偏差；
(5)根据当前时刻的横向偏差，使用预测函数控制方法计算车辆的前轮转向角以保证车辆在车道中心线行驶；使用预测函数控制方法计算车辆的前轮转角的具体步骤如下：
(5-1)使用离散后的车辆横向偏差状态空间模型构造模型预测方程，
Figure FDA0002936925430000031
其中，ny表示预测步长，ξm(k)表示为k时刻的车辆横向偏差模型值，矩阵A，B，G含义如下：
Figure FDA0002936925430000032
Figure FDA0002936925430000033
(5-2)求解下式计算出前轮转角，
Figure FDA0002936925430000041
其中，ξp(k)表示为k时刻的车辆横向偏差实际值，
Figure FDA0002936925430000042
Figure FDA0002936925430000043
Figure FDA0002936925430000044
λ表示期望响应时间；
(6)将计算得到的转向角输入给车辆的转向控制执行单元；
(7)根据设置的控制周期，重复步骤(3)到步骤(6)，控制车辆沿车道中心行驶。
2.根据权利要求1所述的基于预测函数控制的前轮转向车辆车道保持控制方法，其特征在于，步骤(3)中，车辆的参考行驶状态包括：全局横坐标Xdes、全局纵坐标Ydes、全局航向角ψdes和道路参考点的期望航向角速度
Figure FDA0002936925430000045
3.根据权利要求1所述的基于预测函数控制的前轮转向车辆车道保持控制方法，其特征在于，步骤(4)中，所述横向偏差的计算方法为：
Figure FDA0002936925430000046
Figure FDA0002936925430000047
其中，Vy表示车辆横向速度。
4.根据权利要求1所述的基于预测函数控制的前轮转向车辆车道保持控制方法，其特征在于，步骤(7)中，所述的控制周期等于采样周期T。
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