汽車超車軌跡控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u32318汽車超車軌跡控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)案例 1277081.1軌跡預(yù)測(cè)控制器設(shè)計(jì) 166091.1.1駕駛員模型簡(jiǎn)介 1171751.1.2預(yù)瞄跟隨理論概述 2100221.1.3駕駛員方向控制模型 2147221.2基于軌跡預(yù)測(cè)的預(yù)瞄控制器的搭建 41.1軌跡預(yù)測(cè)控制器設(shè)計(jì)1.1.1駕駛員模型簡(jiǎn)介在如今的汽車智能駕駛的研究領(lǐng)域中，研究者們多數(shù)從控制理論的角度來(lái)直接探討車輛控制系統(tǒng)的控制策略和控制結(jié)構(gòu)。然而駕駛員才是交通行為的直接參與者，分析駕駛員的駕駛方法和控制習(xí)慣，進(jìn)而開發(fā)出對(duì)應(yīng)的智能車輛的控制算法，已成為一種新的研究趨勢(shì)。從駕駛員操作車輛的特性來(lái)看，駕駛員正常操作車輛存在一個(gè)從車輛周邊的交通環(huán)境、道路交通規(guī)則等進(jìn)行信息感知，再到對(duì)駕駛信息判斷對(duì)應(yīng)的行駛軌跡決策，最后對(duì)預(yù)期的行駛軌跡進(jìn)行校正操作的過程。如下圖所示，在整個(gè)操縱過程中，車輛、道路及駕駛者三方共同搭建了一個(gè)復(fù)雜的閉環(huán)控制系統(tǒng)。圖1.2駕駛員模型示意圖駕駛員模型是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的控制系統(tǒng)，其主要包含有方向控制、驅(qū)動(dòng)控制、制動(dòng)控制等。其中，方向控制是模型的核心。多年以來(lái)，研究人員提出了各類的基于傳統(tǒng)控制理論的駕駛員模型，例如PID控制，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等[17]。然而，真正的駕駛員系統(tǒng)是一個(gè)非線性時(shí)變的動(dòng)態(tài)變化系統(tǒng)，需要大量的測(cè)試或模擬來(lái)確定傳遞函數(shù)，然后根據(jù)特性將該函數(shù)用于確定驅(qū)動(dòng)程序的模型。因此，基于傳統(tǒng)控制理論的方法在控制轉(zhuǎn)向方面有很多局限性。在現(xiàn)在，隨著智能控制理論的發(fā)展，基于轉(zhuǎn)向控制的駕駛員模型所研究的主要是預(yù)瞄跟隨算法模型的應(yīng)用。1.1.2預(yù)瞄跟隨理論概述為了模擬駕駛員在期望軌跡上的駕駛行為特征，研究者們已經(jīng)建立了許多駕駛員模型。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，探討了基于預(yù)瞄跟隨理論的駕駛員模型。該模型認(rèn)為駕駛員在操縱車輛行駛時(shí)，可以一直注意到車輛前方距離為d的某一點(diǎn)，并在之后施加一個(gè)轉(zhuǎn)向角給方向盤,使得在行駛距離為d后汽車的行駛軌跡與預(yù)期的道路軌跡相符。預(yù)瞄跟隨理論根據(jù)未來(lái)的輸入信息來(lái)描述接下來(lái)的駕駛特性。這個(gè)理論一般可以用以下幾點(diǎn)來(lái)論證[18]。1)在通常情況下，駕駛員的操縱是一個(gè)低頻的進(jìn)程，閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)在低頻率范圍應(yīng)該一直是1，也就是說(shuō)P(2)圖1.3顯示了預(yù)瞄跟隨器的主體結(jié)構(gòu)圖，其中y表示超車車輛的實(shí)際橫向位置，f和fe分別表示在絕對(duì)坐標(biāo)系和車輛坐標(biāo)系上的超車車輛的橫向位置。圖1.3預(yù)瞄跟隨控制器結(jié)構(gòu)圖1.1.3駕駛員方向控制模型在分析駕駛員轉(zhuǎn)向操作控制行為的基礎(chǔ)上，提出了駕駛者具有一定的軌跡預(yù)測(cè)能力的假設(shè)，并建立了一個(gè)基于軌跡預(yù)測(cè)的單點(diǎn)預(yù)瞄駕駛員模型。首先通過假設(shè)汽車在預(yù)瞄時(shí)間內(nèi)具有恒定的橫擺角速度或者是橫擺角加速度，再由假設(shè)得到的期望條件和車況來(lái)預(yù)測(cè)接下來(lái)的一段時(shí)間內(nèi)的車輛軌跡，再結(jié)合預(yù)估的期望路徑來(lái)進(jìn)行計(jì)算并決策得出理想的方向盤轉(zhuǎn)角。在對(duì)方向盤進(jìn)行理想轉(zhuǎn)角計(jì)算時(shí)，采用期望式、增量式及期望式與增量式相互集成的計(jì)算方法，最終研究得到了一種基于軌跡預(yù)測(cè)的駕駛員方向控制模型，并命名為DMb模型[19]，如圖1.4所示。圖1.4駕駛員方向控制模型——DMb模型在模型公式的推導(dǎo)及參數(shù)獲取中，需要注意以下幾點(diǎn)：1)DMb模型中td、th、tc分別為神經(jīng)反應(yīng)滯后時(shí)間、動(dòng)作反應(yīng)滯后時(shí)間、微分校正系數(shù)，在全仿真模擬中用于評(píng)估駕駛員的神經(jīng)反應(yīng)及動(dòng)作反應(yīng)滯后[19]。但在本次設(shè)計(jì)中由于采用硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)，即半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)考慮到了部分實(shí)際駕駛工況，故暫時(shí)不考慮駕駛員的微分校正能力。2)原式中?f，即預(yù)瞄點(diǎn)的側(cè)向偏差，在CarSim中無(wú)法直接獲得，其只能輸出預(yù)瞄點(diǎn)到指定道路中線，故需要預(yù)瞄點(diǎn)的側(cè)向偏差通過一定的幾何計(jì)算獲得，有幾何關(guān)系可得?f=d圖1.5側(cè)向偏差計(jì)算示意圖3)原式中Gω為到汽車橫擺角速度ω對(duì)方向盤轉(zhuǎn)角δsw的穩(wěn)態(tài)增益G其中isw為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和前輪轉(zhuǎn)角的角傳動(dòng)比，L為汽車的軸距，vK=其中l(wèi)r和lf分別是車輛質(zhì)心到車輛的前軸及后軸的距離[21]，即L=lr+1.2基于軌跡預(yù)測(cè)的預(yù)瞄控制器的搭建由上文所作的理論分析和DMb駕駛員方向控制模型，可在LabVIEW中依照模型建立軌跡預(yù)測(cè)控制器。LabVIEW是基于圖形化編程的軟件。其優(yōu)點(diǎn)是程序搭建簡(jiǎn)單，使用者無(wú)需掌握復(fù)雜的編程語(yǔ)言，且內(nèi)置了詳細(xì)的中英文使用說(shuō)明和豐富的使用示例[22]。模塊化是LabVIEW另一個(gè)