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汽車高速行駛時自動緊急轉向避撞的前饋與反饋跟蹤控制的研究

2021-09-12 20:09:05·  來源：汽車制動之家  
　
作者：來 飛，葉 心；重慶理工大學，汽車零部件先進制造技術教育部重點實驗室［摘要］通過建立汽車避撞質點模型，對3種不同避撞方式的有效性進行了對比分析。計
作者：來 飛，葉 心；重慶理工大學，汽車零部件先進制造技術教育部重點實驗室

［摘要］通過建立汽車避撞質點模型，對3種不同避撞方式的有效性進行了對比分析。計算結果表明，車輛在高速緊急避撞時，轉向避撞所需的縱向距離比制動避撞小，且與制動加轉向聯(lián)合避撞的結果較為接近。據(jù)此，設計了前饋與反饋相結合的自動轉向避撞控制器。選取過渡較為平緩的七次多項式參考路徑，結合線性2自由度轉向動力學模型，從而得出前饋車輪轉角。同時，以車輛實際路徑相對參考路徑的側向位移偏差作為反饋，進行PID反饋控制器的設計。最后對所開發(fā)的控制器進行了仿真驗證，結果表明，所設計的前饋與反饋跟蹤控制器具有較好的實際跟蹤效果、高魯棒性和較強的抵御側向風等外界干擾的能力，從而能實現(xiàn)有效避撞。
前言
隨著人們對汽車安全要求的不斷提高，智能汽車及其控制領域已逐漸成為研究熱點。汽車高級駕駛輔助系統(tǒng)（advanced driving assistance system，ADAS）作為實現(xiàn)自動駕駛汽車的重要技術支撐，在緊急工況下向駕駛員提供預警，并在即將發(fā)生碰撞等危險工況下采取全自動制動或轉向操作。自動緊急制動系統(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。我國也出臺了營運車輛相應的標準法規(guī)。
但在某些場景中，面對突然出現(xiàn)的障礙物，即使緊急制動也無法避免事故發(fā)生。此時進行轉向操作則有可能避免事故。因此，自動緊急轉向控制是解決避撞問題的另一有效措施，然而至今為止，通過轉向控制來實現(xiàn)避撞的市場產(chǎn)品依然較少。部分研究人員在此方面開展了相關研究工作。Alleyne通過簡單的車輛線性2自由度動力學模型，結合最優(yōu)控制方法比較了5種避撞方式的效果，即前輪轉向、四輪轉向、四輪制動轉向、前輪制動轉向和后輪制動轉向；Bevan等則研究車輛平面轉向運動學，以圓弧過渡的避撞路徑為參考軌跡，結合制動與轉向控制方法，使車輛能自動通過較為嚴格的ISO雙移線法規(guī)測試；Schorn通過S函數(shù)路徑規(guī)劃，對有制動干預與無制動干預的避撞跟蹤控制進行了對比研究；Yuan等利用模型預測控制方法，對主動前輪轉向和獨立車輪轉矩控制的高速避撞效果進行了仿真研究；王其東等利用3自由度車輛動力學模型，基于有限元路徑分割和動態(tài)預測路徑跟蹤算法，對車輛緊急避撞過程中的縱向與側向力分配規(guī)律進行了研究；Gao等采用改進的哈密頓算法，通過上層質點模型進行運動規(guī)劃，下層采用非線性3自由度動力學模型進行最優(yōu)控制分配。上述研究中采用的大多數(shù)車輛模型都過于簡化，不能真實反映實際車輛的跟蹤性能，另外也未考慮車輛在避撞過程中的外界干擾，如側向風等。
針對上述問題，本文中首先通過建立車輛質點模型，對車輛轉向避撞與制動避撞的有效性進行了對比分析，在此基礎上構建了自動轉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式規(guī)劃路徑，在前饋控制器的設計中利用較簡單的2自由度車輛轉向動力學模型，在反饋控制器的設計中則利用魯棒性較強的PID控制算法。最后，在控制算法的驗證上，選取車輛轉向與懸架統(tǒng)一動力學模型，進行了有側向風干擾的車輛避撞仿真，表明所提出的控制算法合理可行。
1 轉向避撞與制動避撞的有效性對比分析
為評估與對比轉向避撞和制動避撞的效果，建立車輛避撞質點模型并進行分析，如圖1所示。其中，車輛坐標系為xoy，地面坐標系為XOY，汽車在XOY坐標系下的運動方程為
 
 
式中：m為整車質量；φ為車輛航向角；Fx和Fy分別為車輛坐標系下輪胎作用在車輛質心處沿x和y方向的合外力。
 
 
圖1 車輛避撞質點模型
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向加速度；ax，max、ay，max分別為車輛的縱向最大加速度和側向最大加速度；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］，則車輛避撞運動的狀態(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）＝Y0，vX（0）＝vX0，vY（0）＝vY0，避撞結束時刻t的狀態(tài)為X（t）＝Xt，Y（t）＝Yt，vX（t）＝vXt，vY（t）＝vYt。設系統(tǒng)初始時刻狀態(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，即制動避撞、轉向避撞、制動＋轉向聯(lián)合避撞。則系統(tǒng)輸入和約束條件（即車輛t時刻的狀態(tài)約束）如表1所示，其中a為車輛避撞所需側向距離。
 
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)的計算結果如圖2和圖3所示?？梢钥闯觯斳囕v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，通過轉向避撞所需的縱向距離要比通過制動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)勢越明顯。而制動與轉向聯(lián)合避撞要比通過轉向避撞所需的縱向距離稍小，在低附著路面上的結果較接近。因此，當汽車在高速緊急避撞時，通過轉向操縱進行避撞的綜合性能更優(yōu)，同時也與實際情況較吻合，故下面主要針對轉向避撞進行研究。
 
 
圖2 最小縱向避撞距離（μ＝0.85，a＝3.5 m）
 
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