CN111736608A - 转向容错控制中肌肉神经驾驶员模型的建立方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种转向容错控制中肌肉神经驾驶员模型的建立方法，包括以下步骤：给定车辆运动的理想轨迹输入；通过驾驶员在驾驶车辆的预瞄环节得到驾驶员相对坐标下的轨迹输入；在所述驾驶员相对坐标下的轨迹输入引入驾驶员补偿环节、驾驶员神经回馈迟滞环节和驾驶员肌肉反应时间环节，并通过神经回馈时间迟滞补偿环节和肌肉反应时间补偿环节进行反馈控制，得到实际的车辆侧向位移。本发明能够建立出更加符合实际操作过程的驾驶员模型，从而能够更加真实的反应驾驶员的操作情况，对车辆的控制更加准确和真实。
Description
技术领域
本发明涉及车辆控制技术领域，具体涉及一种转向容错控制中肌肉神经驾驶员模型的建立方法。
背景技术
作为提高***安全性和可靠性的一种重要手段，容错控制理论迄今已取得了不少的研究成果，但是在汽车控制***的相关研究中，还是随着底盘线控技术的出现才逐渐受到重视。对于四轮独立驱动转向的电动汽车来说，容错控制具有至关重要的作用。
20世纪50年代，国外研究人员首次提出了驾驶员模型的概念，主要对方向控制驾驶员模型进行了研究。国内，郭孔辉院士首先提出“预瞄-跟随”理论。随着控制理论的发展以及智能车辆研究的深入，基于“预瞄-跟随”理论的驾驶员模型不能够准确实现驾驶员对实际道路状况的判断，因此出现了基于智能控制理论的驾驶员模型。基于模糊控制理论和神经网络控制理论建立的驾驶员模型可以通过信息感知环节获得道路的汽车运动状态的反馈信息，再经过“预瞄决策”进行分析和判断，最后再通过校正控制从而控制汽车按照预期轨迹行驶。近些年来，研究人员将驾驶员模型研究的重点转移到人机结合工程中，研究驾驶员的感知特点。肌肉神经作为人体重要的反馈机理，在驾驶员实际操纵汽车的过程中扮演着不可或缺的重要角色。然而，目前还没有将肌肉神经反馈的驾驶员模型方式运用到转向容错控制中。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，提供了一种转向容错控制中肌肉神经驾驶员模型的建立方法，能够建立出更加符合实际操作过程的驾驶员模型，从而能够更加真实的反应驾驶员的操作情况，对车辆的控制更加准确和真实。
本发明采用的技术方案如下：
一种转向容错控制中肌肉神经驾驶员模型的建立方法，包括以下步骤：给定车辆运动的理想轨迹输入；通过驾驶员在驾驶车辆的预瞄环节得到驾驶员相对坐标下的轨迹输入；在所述驾驶员相对坐标下的轨迹输入引入驾驶员补偿环节、驾驶员神经回馈迟滞环节和驾驶员肌肉反应时间环节，并通过神经回馈时间迟滞补偿环节和肌肉反应时间补偿环节进行反馈控制，得到实际的车辆侧向位移。
所述驾驶员在驾驶车辆的预瞄环节的传递函数为：
其中，τp为驾驶员预瞄时长，T4为***内部该环节的反应时间。
所述驾驶员补偿环节为对驾驶员在驾驶过程中出现的迟钝反应的补偿，所述驾驶员补偿环节的传递函数为：
GB(s)＝Ky(T3+1)
其中，Ky为闭环***增益值，T3为***内部该环节的反应时间。
所述驾驶员神经回馈迟滞环节为驾驶员接收到路况信息在大脑中神经元处理和回馈会产生的时间迟滞，所述驾驶员神经回馈迟滞环节的传递函数为：
其中，τ0为时间迟滞因子。
所述驾驶员肌肉反应时间环节为驾驶员接收到路况信息大脑神经作出反应后，传导至肌肉作出反应的时间，所述驾驶员肌肉反应时间环节的传递函数为：
其中，ωn为人体在没有阻尼情况下的肌肉反应环节频率，ξ为人体在没有阻尼情况下的肌肉反应环节频比。
所述肌肉反应时间补偿环节和所述神经回馈时间迟滞补偿环节的传递函数分别为：
其中，K1、K2为闭环***增益值，T1、T2为***内部该环节的反应时间。
本发明的有益效果：
本发明首先以给定理想轨迹作为输入，在闭环驾驶员模型中加入了人体肌肉神经的反应时间、大脑神经元回馈的迟滞时间以及各环节的补偿环节，建立出更加符合实际操作过程的驾驶员模型，从而能够更加真实的反应驾驶员的操作情况，对车辆的控制更加准确和真实。
附图说明
图1为本发明实施例的转向容错控制中肌肉神经驾驶员模型的建立方法的流程图；
图2为本发明一个实施例的转向容错控制***的方框示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明是基于转向失效容错控制***，在转向失效的情况下，由于转向信号不起作用，因此需要引入驾驶员模型将期望的运动轨迹转化为车辆期望的动力学响应，之后通过分层控制分配器重新分配力矩从而达到汽车容错控制的目的。
如图1所示，本发明实施例的转向容错控制中肌肉神经驾驶员模型的建立方法包括以下步骤：给定车辆运动的理想轨迹输入；通过驾驶员在驾驶车辆的预瞄环节得到驾驶员相对坐标下的轨迹输入；在驾驶员相对坐标下的轨迹输入引入驾驶员补偿环节、驾驶员神经回馈迟滞环节和驾驶员肌肉反应时间环节，并通过神经回馈时间迟滞补偿环节和肌肉反应时间补偿环节进行反馈控制，得到实际的车辆侧向位移。
其中，预瞄环节指驾驶员通过观测得到路面信息之后进行处理，主要表现为驾驶员的预瞄，取决于驾驶员的预瞄特性，驾驶员在驾驶车辆的预瞄环节的传递函数为：
驾驶员补偿环节为对驾驶员在驾驶过程中出现的迟钝反应的补偿，驾驶员补偿环节的传递函数为：
GB(s)＝Ky(T3+1)
驾驶员神经回馈迟滞环节为驾驶员接收到路况信息在大脑中神经元处理和回馈会产生的时间迟滞，驾驶员神经回馈迟滞环节的传递函数为：
驾驶员肌肉反应时间环节为驾驶员接收到路况信息大脑神经作出反应后，传导至肌肉作出反应的时间，驾驶员肌肉反应时间环节的传递函数为：
肌肉反应时间补偿环节和神经回馈时间迟滞补偿环节的传递函数分别为：
其中，ωn为人体在没有阻尼情况下的肌肉反应环节频率，ξ为人体在没有阻尼情况下的肌肉反应环节频比，K1、K2、Ky为闭环***增益值，T1、T2、T3、T4为***内部各个环节的反应时间，τp为驾驶员预瞄时长，τ0为时间迟滞因子。
根据本发明实施例的转向容错控制中肌肉神经驾驶员模型的建立方法，首先以给定理想轨迹作为输入，在闭环驾驶员模型中加入了人体肌肉神经的反应时间、大脑神经元回馈的迟滞时间以及各环节的补偿环节，建立出更加符合实际操作过程的驾驶员模型，从而能够更加真实的反应驾驶员的操作情况，对车辆的控制更加准确和真实。
基于上述实施例的转向容错控制中肌肉神经驾驶员模型的建立方法，本发明还提出一种转向容错控制***。
如图2所示，转向容错控制***包括基于上述实施例的建立方法所建立的驾驶员模型以及分层控制分配器、估计模块和故障诊断模块。在转向失效这一特殊工况下，认为已经诊断出转向失效，前轮转向角始终为零。估计模块可依据测量信号估计车辆的关键状态参数，故障诊断模块检测到转向***失效信息，反馈到分层控制分配器。分层控制分配器结合驾驶员模型所得出的动力学响应，进行控制分配后得出每个车轮应提供的电机制驱动力矩，从而实现车辆容错控制这一目标。
在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行***、装置或设备(如基于计算机的***、包括处理器的***或其他可以从指令执行***、装置或设备取指令并执行指令的***)使用，或结合这些指令执行***、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行***、装置或设备或结合这些指令执行***、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行***执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (6)
1.一种转向容错控制中肌肉神经驾驶员模型的建立方法，其特征在于，包括以下步骤：
给定车辆运动的理想轨迹输入；
通过驾驶员在驾驶车辆的预瞄环节得到驾驶员相对坐标下的轨迹输入；
在所述驾驶员相对坐标下的轨迹输入引入驾驶员补偿环节、驾驶员神经回馈迟滞环节和驾驶员肌肉反应时间环节，并通过神经回馈时间迟滞补偿环节和肌肉反应时间补偿环节进行反馈控制，得到实际的车辆侧向位移。
2.根据权利要求1所述的转向容错控制中肌肉神经驾驶员模型的建立方法，其特征在于，所述驾驶员在驾驶车辆的预瞄环节的传递函数为：
其中，τp为驾驶员预瞄时长，T4为***内部该环节的反应时间。
3.根据权利要求2所述的转向容错控制中肌肉神经驾驶员模型的建立方法，其特征在于，所述驾驶员补偿环节为对驾驶员在驾驶过程中出现的迟钝反应的补偿，所述驾驶员补偿环节的传递函数为：
GB(s)＝Ky(T3+1)
其中，Ky为闭环***增益值，T3为***内部该环节的反应时间。
4.根据权利要求3所述的转向容错控制中肌肉神经驾驶员模型的建立方法，其特征在于，所述驾驶员神经回馈迟滞环节为驾驶员接收到路况信息在大脑中神经元处理和回馈会产生的时间迟滞，所述驾驶员神经回馈迟滞环节的传递函数为：
其中，τ0为时间迟滞因子。
5.根据权利要求4所述的转向容错控制中肌肉神经驾驶员模型的建立方法，其特征在于，所述驾驶员肌肉反应时间环节为驾驶员接收到路况信息大脑神经作出反应后，传导至肌肉作出反应的时间，所述驾驶员肌肉反应时间环节的传递函数为：
其中，ωn为人体在没有阻尼情况下的肌肉反应环节频率，ξ为人体在没有阻尼情况下的肌肉反应环节频比。
6.根据权利要求5所述的转向容错控制中肌肉神经驾驶员模型的建立方法，其特征在于，所述肌肉反应时间补偿环节和所述神经回馈时间迟滞补偿环节的传递函数分别为：
其中，K1、K2为闭环***增益值，T1、T2为***内部该环节的反应时间。
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