CN110096748A - 一种基于车辆运动学模型的人-车-路模型建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于车辆运动学模型的人‑车‑路模型建模方法。所述建立的车辆运动学模型考虑了人类驾驶员在行车驾驶中的作用，利用驾驶员转向特性中的神经肌肉延迟时间、预瞄时间、转向增益等参数来表征不同驾驶行为的人类驾驶员，使得基于该模型设计的车辆控制器能够像人一样驾驶，提高乘员的乘坐舒适性。本发明提出的基于车辆运动学模型的人‑车‑路模型降低了控制器设计难度，实时性好，并且考虑了人类驾驶员的乘坐舒适性，有实用性也具有广阔的商业应用前景。

Description

一种基于车辆运动学模型的人-车-路模型建模方法

技术领域

本发明涉及路径规划与路径跟踪，属于智能交通技术领域，具体涉及一种基于车辆运动学模型的人-车-路模型建模方法。

背景技术

“智能化、网联化、电动化、共享化”作为当前汽车工业发展的趋势，以智能化为代表的自主车辆和半自主车辆是当前国内外诸多科技公司以及汽车制造厂商的研究热点。智能驾驶汽车要能够实现与X(车，路，人等)智能信息交换、共享，具备复杂环境感知、智能决协同控制等功能，其研究目标是取代人类驾驶员进行车辆自主驾驶工作，并以此提高行车安全和效率。但是把驾驶员从枯燥的驾驶中解放出来的完全自动化的无人驾驶技术并不是一蹴而就的，而是一个逐步递进的过程，与自动驾驶相比，半自动驾驶目前更有可能实现。目前常见车辆模型多为车辆动力学模型，动力学模型对车辆参数要求较高，其中很多参数都具有非线性特性，如侧偏角、转向刚度等，这将增加控制器的计算负担，复杂的计算会降低车辆运动控制的实时性，故在实际应用中，基于车辆动力学的模型存在缺陷。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种基于车辆运动学模型的人-车-路模型建模方法，通过车辆运动学建模降低控制器的计算负担，同时利用驾驶员转向特性中的延迟时间、预瞄时间、转向增益等参数来考虑到驾驶员的驾驶特性，使得车辆控制器能够像人一样驾驶，提高乘员的乘坐舒适性。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于车辆运动学模型的人-车-路模型建模方法，采用车辆-道路运动学模型来代替目前更为常用的车辆动力学模型。如图1所示，在ψ为小角度的情况下，可以对ψ的三角函数值进行近似处理，即cosψ＝1，sinψ＝ψ，tanψ＝ψ，车辆-道路运动学模型可以表示为

进一步地，所述图1中l_f和l_r分别为车辆前轴和后轴到车辆质心的距离，V_x表示车辆的纵向速度，y是车辆质心当前的横向位置，y_des表示车辆质心在参考轨迹上与当前位置对应的目标位置，e_y＝y-y_des表示车辆质心当前位置与参考轨迹之间的误差。δ_f为汽车前轮转向角，作为驾驶员模型的输出，用以控制车辆进行转向操作，ψ表示车辆当前位置的航向角，ψ_des是车辆质心在参考路径上对应位置的切线与X轴形成的切角， e_ψ＝ψ-ψ_des表示车辆与参考路径上对应位置的航向偏差。

假设车辆纵向速度V_x为常数，前轮转向角δ_f较小，那么车辆的侧偏运动可以近似表示为：

进一步地，所述模型为了在设计车辆控制器的时候考虑驾驶员的转向特性，在车辆-道路模型中引入驾驶员模型。

其中，T_d、T_p、G_h分别表示驾驶员的延迟时间、预瞄时间以及转向比例增益。a₀为常数，R_g为转向***的传动比，即方向盘转角与汽车前轮转角的比值。所述模型中驾驶员对车辆施加转向控制行为时，延迟时间分为两部分，即T_d＝τ_d1+τ_d2，其中τ_d1为驾驶员意识到需要转向到去执行转向动作存在的一个反应延时，同时，在驾驶员执行转向动作时，手臂上还会存在一个神经肌肉延时τ_d2；驾驶员总是以最小的工作负荷输出一个与输入信号成比例的信号，即转向比例增益，Y_p表示的是参考路径上预瞄点的横向位置，预瞄点为车辆当前位置前方L处做垂线与参考路径的交点，T_p表示驾驶员的预瞄时间，当车辆纵向车速V_x不变时，驾驶员前视距离为L＝V_x*T_p，Y_p表示的就是在车辆前方L处所对应参考路径上预瞄点的横向位置， y+T_pV_xψ表示驾驶员根据当前车辆运动状态估计的预瞄时间后的车辆位置。

进一步地，为了便于在Matlab/Simulink中建模，将上述连续模型转化为离散时间状态模型。根据以上建立的人-车-路模型，定义驾驶员-车辆-道路***模型的离散时间状态变量为

x(k)＝[x₁(k)，x₂(k)，x₃(k)，x₄(k)，x₅(k)，x₆(k)，x₇(k)]^T，其中

人车路模型的输入为所述人-车-路模型的状态空间模型可以被描述为

x(k+1)＝Ax(k)+B_uu(k)

其中

进一步地，在本发明提出的人-车-路模型中，考虑到了驾驶员的转向特性，将该人车路模型用于路径规划和路径跟踪时，可以考虑驾驶员的操纵行为和偏好。另一方面，由于采用了运动学的车辆模型，所提出的人车路模型本质上是线性的，在复杂的路径规划或者路径跟踪中使用该模型可以降低计算成本。

本发明的有益效果是：

由于采用车辆的运动学模型设计人-车-路模型，在模型中实现横向运动控制时，控制器的计算负担较低，车辆运动控制的实时性得到了极大的改善。本发明考虑了驾驶员的预瞄作用、神经肌肉延时、转向增益等驾驶特性，使得所设计的车辆控制器能够像人一样驾驶，从而提高乘员的乘坐舒适性。

附图说明

图1为本发明考虑驾驶员前视作用的车辆-道路运动学模型示意图。

图2为本发明基于运动学车辆模型的人-车-路模型示意框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

本发明提出一种基于车辆运动学模型的人-车-路模型，用来实现车辆控制器计算负担降低，提高控制器实时性，使得控制器能够像人一样驾驶，提高乘员的乘坐舒适性。

本发明采用了双坐标系，即全局坐标系和车身坐标系。在ψ为小角度的情况下，可以对ψ的三角函数值进行近似处理，即cosψ＝1，sinψ＝ψ，tanψ＝ψ，根据车辆运动学状况分析，车辆- 道路的运动学模型可以表示为。

式中，l_f和l_r分别为车辆前轴和后轴到车辆质心的距离，V_x表示车辆的纵向速度，y是车辆质心当前的横向位置，y_des表示车辆质心在参考轨迹上与当前位置对应的目标位置，e_y＝y-y_des表示车辆质心当前位置与参考轨迹之间的误差。δ_f为汽车前轮转向角，ψ表示车辆当前位置的航向角，ψ_des是车辆质心在参考路径上对应位置的切线与X轴形成的切角， e_ψ＝ψ-ψ_des表示车辆与参考路径上对应位置的航向偏差。

假设车辆纵向速度V_x为常数，前轮转向角δ_f较小，那么车辆的侧偏运动的关系式可以近似表示为：

本发明为了在设计车辆控制器的的回收考虑驾驶员的转向特性，在车辆-道路模型中引入驾驶员模型，驾驶员模型表示为：

式中T_d、T_p、G_h分别表示驾驶员的延迟时间、预瞄时间以及转向比例增益。

为常数，R_g为转向***的传动比，即方向盘转角与汽车前轮转角的比值。驾驶员对车辆施加转向控制行为时，延迟时间分为两部分，即T_d＝τ_d1+τ_d2，其中τ_d1为驾驶员意识到需要转向到去执行转向动作存在的一个反应延时，同时，在驾驶员执行转向动作时，手臂上还会存在一个神经肌肉延时τ_d2；驾驶员总是以最小的工作负荷输出一个与输入信号成比例的信号，即转向比例增益，T_p表示驾驶员的预瞄时间，当车辆纵向车速V_x不变时，驾驶员前视距离为L＝V_x*T_p，Y_p表示的就是在车辆前方L处所对应参考路径上预瞄点的横向位置，y+T_pV_xψ表示驾驶员根据当前车辆运动状态估计的预瞄时间后的车辆位置。

本发明将离散时间状态变量定义为x(k)＝[x₁(k)，x₂(k)，x₃(k)，x₄(k)，x₅(k)，x₆(k)，x₇(k)]^T，

人车路模型的输入为则人车路模型的状态空间模型可以被描述为

x(k+1)＝Ax(k)+B_uu(k)

式中

其它符号说明同前。

Claims (1)

1.一种基于车辆运动学模型的人-车-路模型建模方法，其特征在于：包括下述步骤：

(a)建立以车辆运动学模型为基础的车辆-道路模型

式中，l_f和l_r分别为车辆前轴和后轴到车辆质心的距离，V_x表示车辆的纵向速度，e_y＝y-y_des表示车辆质心当前位置与参考轨迹之间的误差，y是车辆质心当前的横向位置，y_des表示车辆质心在参考轨迹上与当前位置对应的目标位置；ψ表示车辆当前位置的航向角，ψ_des是车辆质心在参考路径上对应位置的切线与X轴形成的切角，e_ψ表示车辆与参考路径上对应位置的航向偏差；δ_f为汽车前轮转向角，为前轮转向角加速度；

(b)为了使得车辆控制器能够像人一样驾驶，模型设计时考虑驾驶员模型

其中，T_d、T_p、G_h分别表示驾驶员的延迟时间、预瞄时间以及转向比例增益；a₀为常数，R_g为转向***的传动比，即方向盘转角与汽车前轮转角的比值，G_h为转向比例增益；Y_p表示的就是在车辆前方L处所对应参考路径上预瞄点的横向位置，y+T_pV_xψ表示驾驶员根据当前车辆运动状态估计的预瞄时间后的车辆位置。