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一种横/纵向运动统一框架的驾驶员模型建模方法技术

技术编号:19488662 阅读:59 留言:0更新日期:2018-11-17 11:53
一种横/纵向运动统一框架的驾驶员模型建模方法,包含以下步骤:利用双曲正切函数建立车辆横向单变道轨迹解析式,采集道路以及车辆自身以及其行驶状态信息,根据道路状态信息得到车辆横向位移量的约束,根据驾驶员特性以及安全需求建立指标函数,得到优化横向位移参数,结合车辆行驶状态以及环境因素计算车辆所受横向力约束,利用横向力约束获得车辆轨迹平缓度约束,结合驾驶员特性建立指标函数得到平缓度参数的优化值,最终得到优化的轨迹期望。以横向期望,纵向速度为期望值,建立描述横/纵向运动统一框架的驾驶员模型,以实现轨迹跟踪的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种横/纵向运动统一框架的驾驶员模型建模方法
本专利技术涉及智能车辆控制
,尤其涉及一种基于驾驶安全及驾驶员特性的变道轨迹解析表达与参数约束求取与优化和横/纵运动结合的驾驶员模型设计方法。
技术介绍
车辆轨迹规划与驾驶员模型建模在智能驾驶领域中占有重要的研究地位。轨迹规划作为驾驶员建模的参考量输出来源,是整个智能驾驶过程中车辆安全运行的第一道保障。然而,目前大多数轨迹规划通常考虑路线本身的平缓程度作为安全指标,这一做法在轨迹规划时显得过于保守,而忽略了驾驶员驾驶特性的规划轨迹也无法保证驾驶员驾驶时的舒适性。驾驶员建模作为实现车辆智能驾驶的手段,广大研究学者将驾驶员模型按照运动方向划分成两种模型:横向运动驾驶员模型和纵向运动驾驶员模型。在基于控制器设计驾驶员模型时,亦将模型分开设计。但是,考虑到大多数工况以及驾驶员模型被控对象—车辆的特点,车辆的两个方向运动具有耦合特性,考虑单一方向运动状态分别设计驾驶员模型会导致因为忽略另一方向的运动状态的偏差使得其控制效果产生较大误差。因此,为了使得控制器设计更为准确,设计驾驶员模型需要考虑其运动的相互影响的特性,将另一方向的状态量作为控制器设计的参考因素,以保证达到期望的控制效果。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题:对于车辆的智能驾驶,给出一种基于驾驶安全与驾驶员特性结合的一种变道参考轨迹的解析表示、参数约束及优化的方法。同时,给出基于状态补偿PID控制器的横纵结合的驾驶员模型,使得车辆运动能够实现轨迹跟踪与纵向速度跟踪。一种横/纵向运动统一框架的驾驶员模型建模方法,其特征在于,所述驾驶员模型建模方法包括如下步骤:步骤一:根据车辆变道轨迹,建立道路坐标系,利用带参数的双曲正切函数对横向变道轨迹进行解析表示;步骤二:实时采集车辆运动状态以及道路环境信息实时的由车载传感器采集车辆行驶过程中车辆状态,获得车辆的横向速度、纵向速度、航向角等信息,再通过车载摄像头、雷达等外部传感器采集道路信息,获得道路宽度、路面摩擦系数、车身宽度、迎风面积、车辆横向位置等有效信息;步骤三:优化变道轨迹解析式中的横向位移参数根据驾驶员驾驶意图分析得到驾驶员纵向驾驶期望以及完成横向运动的纵向路程期望,获得步骤一中轨迹解析式的路程参数,结合步骤二中采集的车辆横向位置、道路宽度、车身宽度获得步骤一中轨迹解析式的位置参数和横向位移参数的约束域,结合安全需求与驾驶工况建立横向位移参数的优化指标函数,通过计算并结合横向位移参数约束域获得优化的横向位移参数;步骤四:优化变道轨迹解析式中的平缓度参数依据纵向驾驶期望、车辆迎风面积、当前道路摩擦系数以及步骤三中获取的横向位移,得到轨迹解析式中的平缓度参数约束域,结合安全需求与驾驶工况建立平缓度参数的优化指标函数,在约束域内优化平缓度参数值,从而获得步骤一所述的期望轨迹表达式;步骤五:根据横向位移得到车辆期望横向速度以步骤四中得到的期望轨迹作为横向位移参考,通过设计PID控制器得到大地坐标系下的满足横向轨迹跟踪的横向速度,根据航向角信息和驾驶纵向期望将该横向速度转化为车辆坐标系上的横向/纵向速度期望。步骤六:确定驾驶员模型输出量以步骤五中得到的横向/纵向期望运动速度作为参考值,利用PID控制器设计结合横/纵向运动的驾驶员模型上层控制器,求得作用在车辆坐标系上的实现横向轨迹跟踪以及纵向速度跟踪的合成纵向合力、合成横向合力以及横摆力矩的规划值∑Fx、∑Fy及∑Mz。步骤一所述进行变道规划时,通过建立道路坐标系使用双曲正切函数对车辆变道轨迹进行数学解析表达,所选双曲正切函数形式为:y=k·tanh[a·(x-b)]+h其中,y为车辆的横向位移变化量,b轨迹的路程参数,表示车辆执行变道操作其纵向行驶期望距离的1/2,k为轨迹的横向位移参数,表示车辆执行变道操作其横向期望总位移的1/2,h为车辆在大地坐标系上的初始横向位置,x为轨迹的当前纵向路程,a为轨迹的平缓度参数,表示轨迹的平缓程度。步骤三所述考虑到车辆行驶时其行驶轨迹与车辆稳定安全性之间的关系,依据变道行为与道路之间的关系,得到横向位移参数k的约束域,再根据安全需求与驾驶工况建立关于k的性能指标函数:其中,Jk1表示安全指标,Jk2表示驾驶员特性指标,w1、w2为各自权重系数,w2≠0即w2可以是正数亦可以是负数,用以表示驾驶员对横向位移期望的特性,正数表示驾驶员对横向位移期望越小越好,负数表示驾驶员对横向位移的期望越大越好,通过设计不同w1,w2来体现不同驾驶员所期望的横向位移量的期望k值。步骤四所述考车辆行驶时其行驶轨迹与车辆稳定安全性之间的关系,依据牛顿第二定律与摩擦圆约束,得到轨迹解析式中平缓度参数a的约束域,在根据轨迹平缓度与安全需求与驾驶工况建立关于a的性能指标函数:w3>0,w4≠0,w5≠0其中,Ja1表示安全指标,Ja2、Ja3表示驾驶员对车辆横向速度和加速度的性能指标,w3、w4、w5为各自权重系数,w4≠0即w4可以是正数亦可以是负数,用以表示驾驶员对横向期望速度的特性,正数表示驾驶员对横向速度期望越小越好,即驾驶过程越平坦越好,负数表示驾驶员对横向速度的期望越大越好,即转向过程尽可能快速。w5同理,通过设计不同w3、w4、w5来体现不同驾驶员所期望的横向位移加速度的期望a值。所述基于状态补偿PID控制器设计结合横/纵向运动的驾驶员模型控制器,其被控对象状态空间方程为:其中,ux、uy分别为大地坐标系下的纵向和横向速度,为车辆的航向角,ωr为车辆的横摆角速度,vx、vy分别为车身坐标系下的纵向和横向速度;步骤五、步骤六中PID控制器如下式所示:uy=kpy·ey+ksy·∫ey+kdy·deyux1=kpvx·evx+ksvx·∫evx+kdvx·devx,∑Fx=ux1-mωrvyuvy=kpvy·evy+ksvy·∫evy+kdvy·devy,∑Fy=uvy+mωrvx∑Mz=kpwvx·evx+kswvx·∫evy+kdwvx·devx其中,ux1、uvy为纵向速度与横向速度的状态补偿的中间控制量,ey、∫ey、dey分别是横向位移偏差以及其积分和微分项,kpy、ksy、kdy分别为横向位移PID控制器中的比例、积分、微分参数;evx、∫evx、evx分别是纵向速度偏差以及其积分和微分项,kpvx、ksvx、kdvx分别为纵向跟踪PID控制器中的比例、积分、微分参数;evy、∫evy、evy分别是横向速度偏差以及其积分和微分项,kpvy、ksvy、kdvy分别为∑Fy的横向速度跟踪PID控制器中的比例、积分、微分参数;kpwvy、kswvy、kdwvy分别为∑Mz的横向速度跟踪PID控制器中的比例、积分、微分参数。有益效果:本专利技术结合车辆传感器所收集到的外部以及车辆自身状态信息,利用双曲正切函数对车辆变道轨迹进行解析表示,同时分析得到解析式参数约束域,进而得到可行轨迹簇并通过优化分析得到优化轨迹,同时设计驾驶员横/纵向结合控制器实现了纵向速度与横向轨迹位移的同时跟踪,实现了驾驶员模型的横纵运动控制的统一,对于车辆智能驾驶与实现具有良好的理论指导意义和应用前景。附图说明图1为本专利技术所提出的驾驶员模型工作流程图;图2为本专利技术研究用道路环境图;图3为基于道路环境图建立的道路坐标系本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种横/纵向运动统一框架的驾驶员模型建模方法,其特征在于,所述驾驶员模型建模方法包括如下步骤:步骤一:根据车辆变道轨迹,建立道路坐标系,利用带参数的双曲正切函数对横向变道轨迹进行解析表示;步骤二:实时采集车辆运动状态以及道路环境信息实时的由车载传感器采集车辆行驶过程中车辆状态,获得车辆的横向速度、纵向速度、航向角等信息,再通过车载摄像头、雷达等外部传感器采集道路信息,获得道路宽度、路面摩擦系数、车身宽度、迎风面积、车辆横向位置等有效信息;步骤三:优化变道轨迹解析式中的横向位移参数根据驾驶员驾驶意图分析得到驾驶员纵向驾驶期望以及完成横向运动的纵向路程期望,获得步骤一中轨迹解析式的路程参数,结合步骤二中采集的车辆横向位置、道路宽度、车身宽度获得步骤一中轨迹解析式的位置参数和横向位移参数的约束域,结合安全需求与驾驶工况建立横向位移参数的优化指标函数,通过计算并结合横向位移参数约束域获得优化的横向位移参数;步骤四:优化变道轨迹解析式中的平缓度参数依据纵向驾驶期望、车辆迎风面积、当前道路摩擦系数以及步骤三中获取的横向位移,得到轨迹解析式中的平缓度参数约束域,结合安全需求与驾驶工况建立平缓度参数的优化指标函数,在约束域内优化平缓度参数值,从而获得步骤一所述的期望轨迹表达式;步骤五:根据横向位移得到车辆期望横向速度以步骤四中得到的期望轨迹作为横向位移参考,通过设计PID控制器得到大地坐标系下的满足横向轨迹跟踪的横向速度,根据航向角信息和驾驶纵向期望将该横向速度转化为车辆坐标系上的横向/纵向速度期望。步骤六:确定驾驶员模型输出量以步骤五中得到的横向/纵向期望运动速度作为参考值,利用PID控制器设计结合横/纵向运动的驾驶员模型上层控制器,求得作用在车辆坐标系上的实现横向轨迹跟踪以及纵向速度跟踪的合成纵向合力、合成横向合力以及横摆力矩的规划值∑Fx、∑Fy及∑Mz。...

【技术特征摘要】
1.一种横/纵向运动统一框架的驾驶员模型建模方法,其特征在于,所述驾驶员模型建模方法包括如下步骤:步骤一:根据车辆变道轨迹,建立道路坐标系,利用带参数的双曲正切函数对横向变道轨迹进行解析表示;步骤二:实时采集车辆运动状态以及道路环境信息实时的由车载传感器采集车辆行驶过程中车辆状态,获得车辆的横向速度、纵向速度、航向角等信息,再通过车载摄像头、雷达等外部传感器采集道路信息,获得道路宽度、路面摩擦系数、车身宽度、迎风面积、车辆横向位置等有效信息;步骤三:优化变道轨迹解析式中的横向位移参数根据驾驶员驾驶意图分析得到驾驶员纵向驾驶期望以及完成横向运动的纵向路程期望,获得步骤一中轨迹解析式的路程参数,结合步骤二中采集的车辆横向位置、道路宽度、车身宽度获得步骤一中轨迹解析式的位置参数和横向位移参数的约束域,结合安全需求与驾驶工况建立横向位移参数的优化指标函数,通过计算并结合横向位移参数约束域获得优化的横向位移参数;步骤四:优化变道轨迹解析式中的平缓度参数依据纵向驾驶期望、车辆迎风面积、当前道路摩擦系数以及步骤三中获取的横向位移,得到轨迹解析式中的平缓度参数约束域,结合安全需求与驾驶工况建立平缓度参数的优化指标函数,在约束域内优化平缓度参数值,从而获得步骤一所述的期望轨迹表达式;步骤五:根据横向位移得到车辆期望横向速度以步骤四中得到的期望轨迹作为横向位移参考,通过设计PID控制器得到大地坐标系下的满足横向轨迹跟踪的横向速度,根据航向角信息和驾驶纵向期望将该横向速度转化为车辆坐标系上的横向/纵向速度期望。步骤六:确定驾驶员模型输出量以步骤五中得到的横向/纵向期望运动速度作为参考值,利用PID控制器设计结合横/纵向运动的驾驶员模型上层控制器,求得作用在车辆坐标系上的实现横向轨迹跟踪以及纵向速度跟踪的合成纵向合力、合成横向合力以及横摆力矩的规划值∑Fx、∑Fy及∑Mz。2.根据权利要求1所述的一种横/纵向运动统一框架的驾驶员模型建模方法,其特征在于:步骤一所述进行变道规划时,通过建立道路坐标系使用双曲正切函数对车辆变道轨迹进行数学解析表达,所选双曲正切函数形式为:y=k·tanh[a·(x-b)]+h其中,y为车辆的横向位移变化量,b轨迹的路程参数,表示车辆执行变道操作其纵向行驶期望距离的1/2,k为轨迹的横向位移参数,表示车辆执行变道操作其横向期望总位移的1/2,h为车辆在大地坐标系上的初始横向位置,x为轨迹的当前纵向路程,a为轨迹的平缓度参数,表示轨迹的平缓程度。3.根据权利要求1所述的一种横/纵向运动统一框架的驾驶员模型建模方法,其特征在于:步骤三所述考虑到车辆行驶时其行驶轨迹与车辆稳定安全性之间的关系,依据变道行为与道路之间的关系,得到横向位移参数k的约束域,再根...

【专利技术属性】
技术研发人员:王德军丁健楠梁晓娜郑强徐鹏王丽华
申请(专利权)人:吉林大学
类型:发明
国别省市:吉林,22

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