CN106080596B - 一种基于位置与角速度测量的车道线滑模保持方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于位置与角速度测量的车道线滑模保持方法，包括以下步骤：步骤一，测量车辆的位置误差ys、位置误差微分以及横向摆角的角速度ω；步骤二，构建滑模面sy以及选取相关的参数；步骤三，根据车辆的参数，设计车道线的保持规律；步骤四，根据具体的车辆参数，建立车辆运动模型，并调整车道线保持规律的控制参数，并确定最终车道线保持规律。本发明提供的位置误差、误差微分与角速度测量的智能车辆自动驾驶滑模车道线保持方法，提高了车道线保持的精度，有效利用了车辆运动角速度信息，也提高了车辆自动驾驶的稳定性与安全性，同时也便于实现。

Description

一种基于位置与角速度测量的车道线滑模保持方法
技术领域
本发明属于智能车辆自动驾驶中的车道线保持技术领域，尤其涉及一种基于位置与角速度测量的车道线滑模保持方法。
背景技术
车道线保持是智能车辆自动驾驶的核心技术，它是保证自动驾驶车辆安全的关键技术之一。目前有关车道线保持方法有很多，如PID 保持法，自适应保持法、反演保持法，滑模保持法。
而已有的滑模保持法仅仅是基于位置误差进行滑模面的构造，没有有效的利用角速度信号。而角速度信号是车辆运动信息的重要组成部分，如果利用好角速度信号，能够极大地提高车辆驾驶的稳定性与安全性。
本文所发明的就是一类把角速度信号直接揉入滑模面中，与位置信号进行匹配并构成控制律的一种车道线控制方案，其不仅有较好的稳定性，而且控制精度也有很大提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于位置与角速度测量的车道线滑模保持方法，解决了目前基于位置误差与误差微分测量的车道线保持方案中稳定性不足且保持精度不高的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种基于位置与角速度测量的车道线滑模保持方法，包括以下步骤：
步骤一，测量车辆的位置误差ys、位置误差微分以及横向摆角的角速度ω；
步骤二，构建滑模面sy以及选取相关的参数；
步骤三，根据车辆的参数，设计车道线的保持规律；
步骤四，根据具体的车辆参数，建立车辆运动模型，并调整车道线保持规律的控制参数；
其中，vy表示车辆的纵向速度；ψ表示车辆的横向摆角，表示车辆横向摆角的一阶导数。
进一步的，所述步骤二中，sy的具体表达式为sy ＝ ys+c1vy+c2 ∫ ysdt+c3 ω ；
其中，ys为位置误差值；vy为车辆的纵向速度；ω为车辆横向摆角的角速度；c1，c2与c3为滑模面参数。
进一步的，所述步骤三中，车道线保持规律的具体表达式为
其中，δ为车辆前轮转角；ψr表示横摆角误差；ω表示车辆横向摆角的角速度；vy表示车辆的纵向速度；ey＝ys；sy表示滑模面；
k1、k2、k3、ε以及τ为可调参数，均是正常数；
a1＝Cf+Cr；a2＝Cflf-Crlr；
vx：表示车辆行驶速度；
d：表示车辆中测量横向位置误差摄像头的前探距离；
Iz：表示车辆的转动惯量；
m：表示车辆质量；
lf：表示车辆质心到前轴的距离；
lr：表示车辆质心到后轴的距离；
Cf：表示车辆的前轮胎刚度；
Cr：表示车辆的后轮胎刚度；
ψd：为期望横摆角，由积分给出；
χ：为车道中心线曲率；
c1，c2与c3为滑模面参数。
本发明的有益效果是：本发明提供的位置误差、误差微分与角速度测量的智能车辆自动驾驶滑模车道线保持方法，提高了车道线保持的精度，有效利用了车辆运动角速度信息，也提高了车辆自动驾驶的稳定性与安全性，实现也比较容易，解决了传统基于位置误差、误差微分的滑模车道线保持稳定性与安全性不足，以及车道线保持精度不高的问题。
附图说明
图1是本发明的整体流程图。
图2是本发明的方案原理框图。
图3是本发明中c3＝1时的车道线保持的位置误差响应图。
图4是本发明中c3＝1时的车道线保持前轮转向角响应图。
图5是本发明中c3＝10时的车道线保持的位置误差响应图。
图6是本发明中c3＝10时的车道线保持前轮转向角响应图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
一种基于位置与角速度测量的车道线滑模保持方法，如图1和图 2所示，包括以下步骤：
步骤一，测量车辆的位置误差、位置误差微分以及横向摆角的角速度；
步骤二，滑模面的构造以及相关参数的选取；
步骤三，根据车辆的参数，设计车道线的保持规律；
步骤四，根据具体的车辆参数，建立车辆运动模型，并调整车道线保持规律的控制参数。
具体实施例一
采用摄像头测量车辆横向位置相对道路中心线的位置误差值ys；采用惯性导航组合设备测量车辆横向线速度与车辆横向摆角的角速度ω；
其中，ys的一阶导数为 即为位置误差微分；并有其中vy表示车辆的纵向速度；车辆纵向速度和车辆横向位置相对中心线的测量值的导数相同；
具体实施例二
在实施例一的基础上，构建滑模面sy，sy的具体表达式为sy ＝ ys+c1vy+c2 ∫ ysdt+c3 ω；
其中，ys为位置误差值；vy为车辆的纵向速度；ω为车辆横向摆角的角速度；c1，c2与c3为滑模面参数，所述c1，c2与c3为正数，并有 c1＝20，c2＝1，c3＝10。
具体实施例三
在上述实施例一和实施例二的基础上，设计车道线的保持规律，并有：
其中，δ为车辆前轮转角；ψr表示横摆角误差，也就是车辆行驶方向与路径切线的夹角，由摄像头测量，且该信息不要求精确测量；ω表示车辆横向摆角的角速度；vy表示车辆的纵向速度；ey＝ys；sy表示滑模面；
k1、k2、k3、ε以及τ为可调参数，均是正常数；参数选取如下： k1＝0.1/57.3、k2＝7/57.3、k3＝8/57.3、ε＝0.5、τ＝1；
a1＝Cf+Cr；a2＝Cflf-Crlr；
上述变量中有关车辆物理参数的定义如下：
vx：表示车辆行驶速度，由车辆仪表盘信息获得。
d：表示车辆中测量横向位置误差摄像头的前探距离，根据摄像头安装位置一次性测量即可获取。
Iz：表示车辆的转动惯量，可查阅车辆物理参数获取；
m：表示车辆质量，可查阅车辆物理参数获取；
lf：表示车辆质心到前轴的距离，可查阅车辆物理参数获取；
lr：表示车辆质心到后轴的距离，可查阅车辆物理参数获取；
Cf：表示车辆的前轮胎刚度，可查阅车辆物理参数获取；
Cr：表示车辆的后轮胎刚度，可查阅车辆物理参数获取；
ψd：为期望横摆角，由积分给出；
χ：为车道中心线曲率，由摄像头测量获得；
c1，c2与c3为滑模面参数。
具体实施例四
根据具体的车辆参数建立车辆运动模型调整车道线保持律的控制参数其中k1、k2、k3、ε、τ以及滑模面参数c1＝20，c2＝1，c3＝10；
根据上述定义，建立智能车辆自动驾驶的运动模型如下：
其中各参数与变量定义见上文。设置初始值为ys(0)＝a，a为位置偏差的初始值，可以任意设定。选取第一组控制参数k1＝0.1/57.、3 k2＝7/57.3、k3＝8/57.3、ε＝0.5、τ＝1，c1＝20，c2＝1，c3＝10，将上述控制律 代入模型中，进行仿真分析，根据仿真结果的图形，如图3至图6所示，调整控制参数，调整规则如下：
1)如果车道线保持响应速度较慢，则可增大k1、k2、k3、c1、τ，反之如果响应速度较快，则减小k1、k2、k3、c1、τ。
2)如果***响应增荡过大，则增大ε、c3或减小c2，反之***过于稳定无超调，则减小ε、c3或增大c2。
3)如果车道线保持的精度较低，则增大c2，如果震荡过大，则减小c2。按照上述三条法则进行多次的参数挑选与数字仿真分析，最终确定控制参数
k1、k2、k3、c1、τ、ε、c3、c2，使得车道线保持***具有较好的动态特性与稳态精度，最终确定控制律，以应用于智能车实际***。
本发明提供的位置误差、误差微分与角速度测量的智能车辆自动驾驶滑模车道线保持方法，提高了车道线保持的精度，有效利用了车辆运动角速度信息，也提高了车辆自动驾驶的稳定性与安全性，实现也比较容易，解决了传统基于位置误差、误差微分的滑模车道线保持稳定性与安全性不足，以及车道线保持精度不高的问题。
原理解释与说明
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合理论分析，对本发明进行进一步详细说明。
假设车轮转角为小角度的前提下，车辆横向运动模型可以采用横向位置误差与横摆角误差为基本状态变量而描述如下微分方程
相关变量定义见前文，而两个横向传感器分别位于车前后保险杠，从而车轮相对中心线的横向偏移以及车辆行驶方向与路径切线的夹角均能被测量。车辆的前探距离为d，那么车辆横向几何运动模型可以表示如下：
其中ψr表示横摆角误差，也就是车辆行驶方向与路径切线的夹角；ys表示横向位置相对中心线的误差；ψd为期望横摆角，χ为车道中心线曲率，则
则车辆横向运动模型可以描述如下
不失一般性，定义横向位置误差ys的期望值为yrin，在无特殊说明情况下，yrin＝0，定义误差变量ey＝ys-yrin＝ys，则有
本发明中滑模面
其导数满足
整理得：
设计c3使得b2+c3b1的符号为正，进一步可写为：
而本发明中
其中
其中k2+k3为车前轮的最大转向角物理限制。比如最大转向角物理限制为15度时，可以设置k2＝7/57.3，k3＝8/57.3。
代人本发明所设计的车道线保持方法，则显然有
择优
而则有
则根据Lyapunov稳定性理论有sy→0。考虑到
且c1、c2、c3均大于0，则有ys→0，即车道线保持能够得到实现。

Claims (1)

1.一种基于位置与角速度测量的车道线滑模保持方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，测量车辆的位置误差ys、位置误差微分以及横向摆角的角速度ω；
步骤二，构建滑模面sy并选取滑模面参数c1，c2与c3，其中：sy＝ys+c1vy+c2∫ysdt+c3ω；
其中，vy表示车辆的纵向速度，
步骤三，根据车辆的参数，设计车道线的保持规律，并有：
其中，δ为车辆前轮转角；ψr表示横摆角误差；ω表示车辆横向摆角的角速度；ey＝ys；sy表示滑模面；
k1、k2、k3、ε以及τ为可调参数，均是正常数；
a1＝Cf+Cr；a2＝Cflf-Crlr；
vx：表示车辆行驶速度；
d：表示车辆中测量横向位置误差摄像头的前探距离；
Iz：表示车辆的转动惯量；
m：表示车辆质量；
lf：表示车辆质心到前轴的距离；
lr：表示车辆质心到后轴的距离；
Cf：表示车辆的前轮胎刚度；
Cr：表示车辆的后轮胎刚度；
ψd：为期望横摆角，由积分给出；
χ：为车道中心线曲率；
c1，c2与c3为滑模面参数；
步骤四，根据具体的车辆参数，建立车辆运动模型，并调整车道线保持规律的控制参数，并确定最终车道线保持规律。
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