一种考虑驾驶员驾驶状态的人机协同路径跟踪控制方法技术

一种考虑驾驶员驾驶状态的人机协同路径跟踪控制方法，其特征在于，该方法包括避撞路径规划模块、MPC控制器、权重分配控制器和CarSim车辆模型；避撞路径规划模块根据障碍物信息和反馈的车辆纵向位移计算出MPC控制器的期望侧向位移和横摆角；MPC控制器根据期望侧向位移和横摆角优化出前轮转角；CarSim车辆模型用于输出汽车的实际状态量，包括汽车侧向速度、横摆角速度、横摆角、纵向位移和侧向位移；权重分配控制器通过检测的驾驶员状态进行驾驶员信任度判定，得到驾驶员控制权重，实时动态分配驾驶员和MPC控制器的控制权，并将最终的汽车前轮转角并输入给CarSim车辆模型，解决驾驶员与控制器之间的冲突，控制汽车实现路径跟踪。跟踪。跟踪。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑驾驶员驾驶状态的人机协同路径跟踪控制方法

：
[0001]本专利技术涉及汽车人机协同控制领域，具体地说是一种考虑驾驶员驾驶状态的人机协同路径跟踪控制方法。

技术介绍
：
[0002]汽车保有量的不断增长，在给人们出行以及生活提供较大的便利的同时，交通事故的发生率也逐年提高。其中，驾驶员疲劳、注意力不集中等人为因素是造成交通事故的主要原因。驾驶疲劳降低驾驶员的反应能力、意识表达能力和对信息的处理能力等，从而导致司机失去对车辆的控制能力而造成交通事故。人机协同，是一种典型的人在回路中的人机协同混合增强智能系统，借助人与机器各自的智能优势，形成双向信息交流与控制，避免因驾驶员操作失误导致交通事故的发生。因此，研究一种考虑驾驶员驾驶状态的人机协同路径跟踪控制方法，对解决驾驶员驾驶疲劳而对车辆下达的错误指令问题，提高驾驶安全性具有重要意义。目前，国内外学者在研究人机协同控制方面具有较多的研究成果，但是通常假设驾驶员和控制器的驾驶权重是固定的，这样并不适用于驾驶员驾驶状态较差和道路交通复杂的工况。因此，如果能够根据驾驶员的驾驶状态实时动态调整驾驶员与控制器的控制权重比例，对保障汽车的安全行驶具有重要意义。

技术实现思路
：
[0003]为解决上述问题，本专利技术提供一种考虑驾驶员驾驶状态的人机协同路径跟踪控制方法。首先，根据障碍物信息规划出控制器的目标路径及确定驾驶员输入前轮转角，然后，通过建立车辆运动学模型模拟车辆实际运动状态，通过MPC控制器优化转角，同时根据驾驶员状态计算出驾驶员信任度，而后根据动态权重分配方程完成对驾驶员与MPC控制器控制权重的实时分配。
[0004]本专利技术解决技术问题所采取的技术方案如下：
[0005]一种考虑驾驶员驾驶状态的人机协同路径跟踪控制方法，其特征在于该方法包括避撞路径规划模块、MPC控制器、权重分配控制器和CarSim车辆模型；避撞路径规划模块根据障碍物信息和反馈的纵向位移分别计算驾驶员与MPC控制器的期望路径和期望横摆角；MPC控制器根据驾驶员期望路径和期望横摆角优化出控制器转角；CarSim车辆模型用于输出汽车的实际状态量，包括汽车侧向速度、横摆角速度、横摆角、纵向位移和侧向位移；权重分配控制器通过检测的驾驶员状态进行驾驶员信任度判定，得到驾驶员控制权重，实时动态分配每一步驾驶员和MPC控制器的驾驶权，优化求解出的汽车前轮转角并输入给CarSim车辆模型，解决驾驶员与MPC控制器之间的冲突，控制汽车实现路径跟踪；该方法包括如下步骤：
[0006]步骤1、设计避撞路径规划模块，确定MPC控制器的期望侧向位移和期望横摆角及驾驶员输入的前轮转角，其过程包括如下步骤：
[0007]步骤1.1、控制器规划，基于五次多项式方法求解控制器参考的侧向位移和横摆
角，表达式如下：
[0008]Y(X)＝c0+c1X+c2X2+c3X3+c4X4+c5X5ꢀꢀꢀ
(1)
[0009]其中，c0～c5为待定系数；X为纵向位移；Y(X)为侧向位移。
[0010]步骤1.2、驾驶员规划，通过汽车驾驶模拟系统SILAB模拟真实环境进行避撞操作，确定驾驶员输入的前轮转角。
[0011]步骤2、设计MPC控制器，其过程包括如下子步骤：
[0012]步骤2.1、MPC控制器模型建立，其过程包括如下子步骤：
[0013]步骤2.1.1、建立预测模型，表达式如下：
[0014][0015]其中，m为车辆质量；v
x
、v
y
分别为车辆的纵向、侧向速度；γ为车辆横摆角速度；F
y,fl
、F
y,fr
、F
y,rl
、F
y,rr
分别是左前、右前、左后、右后轮胎的侧向力；δ
f
为前轮转角；l
f
和l
r
分别为车辆质心到前、后轴的距离；I
z
为绕汽车质心铅垂轴的横摆转动惯量；为横摆角速度；为大地坐标系下汽车的侧向速度；
[0016]步骤2.1.2、对式(2)进行线性化处理，表达式如下：
[0017][0018]其中，C
f
、C
r
分别为前后轮轮胎状态刚度；G为转向齿轮传动比；
[0019]步骤2.1.3、构建离散化模型，采用零极点配置法对式(3)进行离散化，表达式如下：
[0020][0021]其中，控制输入u＝δ
c
；状态变量预测输出为侧向位移和横摆角，A
c
,B
c
,C
c
为系数矩阵；
[0022][0023]步骤2.2、计算预测输出，根据模型预测控制理论，取预测时域为n
P
，控制时域为n
M
，可以得到在当t时刻的预测输出如下：
[0024][0025]其中，
[0026][0027]预测输出矩阵
[0028]控制输入矩阵U(t)＝[u(k+1),u(k+2),
…
,u(k+n
M
‑
1)]T
；
[0029]参考输出矩阵R(k+1)＝[r
ref
(k+1),
…
,r
ref
(k+n
P
)]T
，其中
[0030]步骤2.3、设计优化目标及约束条件其过程包括如下子步骤：
[0031]步骤2.3.1、用参考的侧向位移和横摆角与汽车实际侧向位移和横摆角偏差的二范数作为路径跟踪性能指标，其表达式如下：
[0032][0033]其中，Γ
y
和分别是对侧向位移和横摆角跟踪性能的加权因子；
[0034]步骤2.3.2、采用控制量变化量的二范数作为平滑指标，其表达式如下：
[0035][0036]其中，Γ
δ
是对转角输入变化量的加权因子；
[0037]步骤2.3.3、求解系统控制输入，构建多目标优化控制问题，采用二次规划算法求解优化问题，得到最优开环控制序列如下：
[0038][0039]s.t.
[0040][0041]步骤3、设计权重分配控制器，其过程包括如下子步骤：
[0042]步骤3.1、设计驾驶员动态权重函数，通过检测的驾驶员状态进行驾驶员信任度判定建立驾驶权分配函数，当驾驶员可信任度降低时，控制权限由驾驶员平稳过渡到控制器，其公式如下：
[0043][0044]其中，Γ
d
表示驾驶员驾驶权重；w1、w2、w3分别表示驾驶员驾驶能力变量参数，此值需要根据实际情况调整；θ
t
表示当前驾驶员信任度；θ
tn
表示标定的起始驾驶员信任度；当θ
t
∈[0 θ
tn
]时，驾驶员驾驶状态差，MPC控制器拥有完全的控制权限；当θ
t
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑驾驶员驾驶状态的人机协同路径跟踪控制方法，其特征在于，该方法包括避撞路径规划模块、MPC控制器、权重分配控制器和CarSim车辆模型；避撞路径规划模块根据障碍物信息和反馈的车辆纵向位移计算出MPC控制器的期望侧向位移和横摆角；MPC控制器根据期望侧向位移和期望横摆角优化出前轮转角；CarSim车辆模型用于输出汽车的实际状态量，包括汽车侧向速度、横摆角速度、横摆角、纵向位移和侧向位移；权重分配控制器通过检测的驾驶员状态进行驾驶员信任度判定，得到驾驶员控制权重，实时动态分配驾驶员和MPC控制器的控制权，并将最终的汽车前轮转角输入给CarSim车辆模型，解决驾驶员与控制器之间的冲突，控制汽车实现路径跟踪；该方法包括以下步骤：步骤1、设计避撞路径规划模块，确定MPC控制器的期望侧向位移和期望横摆角及驾驶员输入的前轮转角；步骤2、设计MPC控制器，其过程包括如下子步骤：步骤2.1、MPC控制器模型建立，其过程包括如下子步骤：步骤2.1.1、建立预测模型，表达式如下：其中，m为车辆质量；v
x
、v
y
分别为车辆的纵向、侧向速度；γ为车辆横摆角速度；F
y,fl
、F
y,fr
、F
y,rl
、F
y,rr
分别是左前、右前、左后、右后轮胎的侧向力；δ
f
为前轮转角；l
f
和l
r
分别为车辆质心到前、后轴的距离；I
z
为绕汽车质心铅垂轴的横摆转动惯量；为横摆角速度；为大地坐标系下汽车的侧向速度；步骤2.1.2、对式(2)进行线性化处理，表达式如下：其中，C
f
、C
r
分别为前后轮轮胎状态刚度；G为转向齿轮传动比；步骤2.1.3、构建离散化模型，采用零极点配置法对式(3)进行离散化，表达式如下：其中，控制输入u＝δ
c
；状态变量预测输出为侧向位移和横摆角，A
c
,B
c
,C
c
为系数矩阵；
步骤2.2、计算预测输出，根据模型预测控制理论，取预测时域为n
P
，控制时域为n
M
，可以得到在当t时刻的预测输出如下：其中，预测输出矩阵控制输入矩阵U(t)＝[u(k+1),u(k+2),
…
,u(k+n
M
‑
1)]
T
；参考输出矩阵R(k+1)＝[r
ref
(k+1),
…
,r
ref
(k+n
P
)]
T
，其中步骤2.3、设计优化目标及约束条件，其过程包括如下子步骤：步骤2.3.1、用参考的侧向位移和横摆角与汽车实际侧向位移和横摆角偏差的二范数作为路径跟踪性能指标，其表达式如下：其中，Γ
y
和分别是对侧向位移和横摆角跟踪性能的加权因子；步骤2.3.2、采用控制量变化量的二范数作为平滑指标，其表达式如下：其中，Γ
δ<...

【专利技术属性】
技术研发人员：李绍松，李德涛，王寒，崔高健，张袅娜，卢晓晖，
申请(专利权)人：长春工业大学，
类型：发明
国别省市：