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汽车高速行驶时自动紧急转向避撞的前馈与反馈跟踪控制的研究
2021-09-12 20:09:05· 来源：汽车制动之家
作者：来 飞，叶 心；重庆理工大学，汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室［摘要］通过建立汽车避撞质点模型，对3种不同避撞方式的有效性进行了对比分析。计
作者：来 飞，叶 心；重庆理工大学，汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室
［摘要］通过建立汽车避撞质点模型，对3种不同避撞方式的有效性进行了对比分析。计算结果表明，车辆在高速紧急避撞时，转向避撞所需的纵向距离比制动避撞小，且与制动加转向联合避撞的结果较为接近。据此，设计了前馈与反馈相结合的自动转向避撞控制器。选取过渡较为平缓的七次多项式参考路径，结合线性2自由度转向动力学模型，从而得出前馈车轮转角。同时，以车辆实际路径相对参考路径的侧向位移偏差作为反馈，进行PID反馈控制器的设计。最后对所开发的控制器进行了仿真验证，结果表明，所设计的前馈与反馈跟踪控制器具有较好的实际跟踪效果、高鲁棒性和较强的抵御侧向风等外界干扰的能力，从而能实现有效避撞。
［摘要］通过建立汽车避撞质点模型，对3种不同避撞方式的有效性进行了对比分析。计算结果表明，车辆在高速紧急避撞时，转向避撞所需的纵向距离比制动避撞小，且与制动加转向联合避撞的结果较为接近。据此，设计了前馈与反馈相结合的自动转向避撞控制器。选取过渡较为平缓的七次多项式参考路径，结合线性2自由度转向动力学模型，从而得出前馈车轮转角。同时，以车辆实际路径相对参考路径的侧向位移偏差作为反馈，进行PID反馈控制器的设计。最后对所开发的控制器进行了仿真验证，结果表明，所设计的前馈与反馈跟踪控制器具有较好的实际跟踪效果、高鲁棒性和较强的抵御侧向风等外界干扰的能力，从而能实现有效避撞。
前言
随着人们对汽车安全要求的不断提高，智能汽车及其控制领域已逐渐成为研究热点。汽车高级驾驶辅助系统（advanced driving assistance system，ADAS）作为实现自动驾驶汽车的重要技术支撑，在紧急工况下向驾驶员提供预警，并在即将发生碰撞等危险工况下采取全自动制动或转向操作。自动紧急制动系统（automatic emergency braking，AEB）可减轻车辆碰撞的受损程度，甚至在某些工况下可完全避免发生碰撞。我国也出台了营运车辆相应的标准法规。
但在某些场景中，面对突然出现的障碍物，即使紧急制动也无法避免事故发生。此时进行转向操作则有可能避免事故。因此，自动紧急转向控制是解决避撞问题的另一有效措施，然而至今为止，通过转向控制来实现避撞的市场产品依然较少。部分研究人员在此方面开展了相关研究工作。Alleyne通过简单的车辆线性2自由度动力学模型，结合最优控制方法比较了5种避撞方式的效果，即前轮转向、四轮转向、四轮制动转向、前轮制动转向和后轮制动转向；Bevan等则研究车辆平面转向运动学，以圆弧过渡的避撞路径为参考轨迹，结合制动与转向控制方法，使车辆能自动通过较为严格的ISO双移线法规测试；Schorn通过S函数路径规划，对有制动干预与无制动干预的避撞跟踪控制进行了对比研究；Yuan等利用模型预测控制方法，对主动前轮转向和独立车轮转矩控制的高速避撞效果进行了仿真研究；王其东等利用3自由度车辆动力学模型，基于有限元路径分割和动态预测路径跟踪算法，对车辆紧急避撞过程中的纵向与侧向力分配规律进行了研究；Gao等采用改进的哈密顿算法，通过上层质点模型进行运动规划，下层采用非线性3自由度动力学模型进行最优控制分配。上述研究中采用的大多数车辆模型都过于简化，不能真实反映实际车辆的跟踪性能，另外也未考虑车辆在避撞过程中的外界干扰，如侧向风等。
针对上述问题，本文中首先通过建立车辆质点模型，对车辆转向避撞与制动避撞的有效性进行了对比分析，在此基础上构建了自动转向避撞的前馈与反馈控制系统总体框架，选取过渡较为缓和的七次多项式规划路径，在前馈控制器的设计中利用较简单的2自由度车辆转向动力学模型，在反馈控制器的设计中则利用鲁棒性较强的PID控制算法。最后，在控制算法的验证上，选取车辆转向与悬架统一动力学模型，进行了有侧向风干扰的车辆避撞仿真，表明所提出的控制算法合理可行。
1 转向避撞与制动避撞的有效性对比分析
为评估与对比转向避撞和制动避撞的效果，建立车辆避撞质点模型并进行分析，如图1所示。其中，车辆坐标系为xoy，地面坐标系为XOY，汽车在XOY坐标系下的运动方程为
式中：m为整车质量；φ为车辆航向角；Fx和Fy分别为车辆坐标系下轮胎作用在车辆质心处沿x和y方向的合外力。
图1 车辆避撞质点模型
由轮胎物理特性和牛顿第二定律可得
式中：ax、ay分别为车辆的纵向和侧向加速度；ax，max、ay，max分别为车辆的纵向最大加速度和侧向最大加速度；μ为路面附着系数；g为重力加速度。
引入状态变量ζ＝［X，Y，υX，υY］，系统输入u＝［Fx，Fy］，则车辆避撞运动的状态方程可写为
假定车辆避撞前的初始状态为X（0）＝X0，Y（0）＝Y0，vX（0）＝vX0，vY（0）＝vY0，避撞结束时刻t的状态为X（t）＝Xt，Y（t）＝Yt，vX（t）＝vXt，vY（t）＝vYt。设系统初始时刻状态为［0，0，vx，0］，以使车辆所需的纵向避撞距离最小，即求出系统输入u使Xt最小。
考虑通过3种不同的操纵方式来完成避撞操作，即制动避撞、转向避撞、制动＋转向联合避撞。则系统输入和约束条件（即车辆t时刻的状态约束）如表1所示，其中a为车辆避撞所需侧向距离。
表1 不同避撞方式下的系统输入和约束条件
采用Matlab中的优化工具fminbnd，对不同车速下的3种避撞方式分别求解。不同路面附着系数的计算结果如图2和图3所示。可以看出，当车辆在高速情况下（本文中特指车速大于等于80 km/h）紧急避撞时，通过转向避撞所需的纵向距离要比通过制动避撞所需的纵向距离小，车速越高、路面附着系数越小，优势越明显。而制动与转向联合避撞要比通过转向避撞所需的纵向距离稍小，在低附着路面上的结果较接近。因此，当汽车在高速紧急避撞时，通过转向操纵进行避撞的综合性能更优，同时也与实际情况较吻合，故下面主要针对转向避撞进行研究。
图2 最小纵向避撞距离（μ＝0.85，a＝3.5 m）
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