考虑驾驶员特性的线控转向车辆路径跟踪鲁棒控制方法研究

摘要

随着传感器融合技术、导航技术和通信技术的飞速发展以及道路基础设施的不断完善，“智能化、网联化、电动化、共享化”成为当前汽车工业发展的趋势。近些年，随着全球汽车企业和诸多互联网科技公司纷纷启动对智能车辆的研发，各种层次的自动驾驶汽车技术得到了迅速的发展。对于半自主车辆而言，人机共享转向技术能够使驾驶员和转向辅助控制器合作共享车辆的转向控制权，显著提高车辆的操纵稳定性，并能极大减少驾驶员的工作负荷，是诸多先进驾驶员辅助系统（ADAS）技术的研究热点。 本文主要进行人机共驾的线控转向车辆路径跟踪鲁棒控制方法研究。线控转向技术作为当前最先进的车辆转向技术，可以通过自动控制器直接对驾驶员的转向操作进行修正。考虑到不同的驾驶员具有不同的驾驶特性，驾驶员特性参数的不同会使得共享控制器的设计参数产生差异，因此设计共享控制器时考虑驾驶员的特性不仅可以个性化驾驶员和自动控制器的控制权共享,而且能够最大程度减少人机共驾时的转向冲突。本文的主要内容和创新成果包括： (1)建立单点预瞄的驾驶员-车辆-道路路径跟踪模型。驾驶员-车辆-道路模型由车辆-道路模型和驾驶员模型组合构成。本文不考虑车辆的纵向运动，在建立车辆-道路模型时仅考虑车辆在自身坐标系下的侧向和横摆运动以及大地坐标系下的侧向运动。在建立单点预瞄的驾驶员模型时，假设驾驶员仅通过预瞄点处的道路特征产生对车辆的转向控制行为，考虑了驾驶员的前视作用、大脑反应延时、手臂的神经肌肉延时、对车辆侧向运动的比例微分调节，最终建立了包含预瞄时间、延迟时间、和转向比例增益三个特性参数的驾驶员模型。 (2)建立两点预瞄的驾驶员-车辆-道路路径跟踪模型。由于上述单点预瞄驾驶员-车辆-道路模型是基于车辆航向角变化小角度假设，不适用于跟踪具有“返回特征”的大曲率路径，因此对其优化建立了两点预瞄的驾驶员-车辆-道路模型。在建立车辆-道路模型时，考虑了车辆方向角偏差和侧向位置偏差；在建立两点预瞄的驾驶员模型时，使用了前馈和反馈控制的思想，驾驶员远处的预瞄点用于获取前方道路的特征信息，为下一时刻的转向动作做准备，属于前馈控制，驾驶员近处的预瞄点用于消除路径跟踪的侧向位置偏差和方向角偏差，属于反馈控制，最终经过简化建立了包含期望转向增益、补偿转向增益、微分时间常数、预瞄时间、延迟时间五个特性参数的驾驶员模型。 (3)分别采用多面体理论和模糊控制方法处理驾驶员特性参数的不确定性。本文分别对所建立的基于单点预瞄和两点预瞄的驾驶员-车辆-道路模型进行了共享转向鲁棒控制器的设计。在控制器设计时，考虑到两个驾驶员-车辆-道路模型中都包含多个不确定性的驾驶员特性参数，分别采用多面体理论和模糊控制的方法将含有不确定性参数的驾驶员-车辆-道路模型转变成线性参数可变的模型，模型的这一线性化处理极大地方便了共享转向鲁棒控制器的设计。 (4)设计了基于线性矩阵不等式的输出反馈鲁棒共享控制器，并加入了极点配置约束。在设计共享转向控制器时，采用了需要更少状态变量的输出反馈控制，并且加入了极点配置约束提高闭环驾驶员-车辆-道路系统的动态和稳态性能，使得设计的控制器更具有工程应用价值。此外，对于控制器应满足的多目标的H?性能，我们将其转换为干扰抑制度更小的单目标H∞性能，并给出了充分的线性矩阵不等式条件，最终将控制器的存在问题转化成了可使用Matlab中的线性矩阵不等式工具箱求解的凸优化问题，最后通过Matlab/Simulink-Carsim联合仿真验证了控制器的有效性。这部分内容是本文的创新成果。

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