李 爽,徐延海,陳 靜,朱鵬興
(西華大學(xué),汽車(chē)測(cè)控與安全四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610039)
20世紀(jì)80年代早期,郭孔輝等在進(jìn)行駕駛員行為模型及駕駛員-車(chē)輛閉環(huán)操作系統(tǒng)的仿真研究過(guò)程中提出了預(yù)測(cè)-跟隨系統(tǒng)理論,并在此理論基礎(chǔ)上,以Ackermann幾何關(guān)系為支撐,從控制理論角度出發(fā)建立了預(yù)瞄最優(yōu)曲率模型。該模型比補(bǔ)償矯正模型更符合人的駕駛行為,因此被廣泛應(yīng)用到路徑跟隨控制中[1-2]。
預(yù)瞄最優(yōu)曲率模型是在駕駛員-車(chē)輛閉環(huán)操作系統(tǒng)的仿真研究中提出的[3]。期望路徑在仿真研究時(shí)容易被描述為關(guān)于時(shí)間的函數(shù)[4],但在無(wú)人駕駛控制領(lǐng)域中,車(chē)輛實(shí)際行駛的期望路徑很難用時(shí)間函數(shù)描述,相較之下它更容易以地理位置坐標(biāo)點(diǎn)集的形式描述,本文中據(jù)此建立新的算法來(lái)獲取預(yù)瞄點(diǎn)和預(yù)瞄點(diǎn)側(cè)向位移[5]。
文獻(xiàn)[6]中提出預(yù)瞄點(diǎn)搜索算法,通過(guò)坐標(biāo)變換將大地坐標(biāo)系下的期望路徑點(diǎn)與車(chē)輛坐標(biāo)系下的期望路徑點(diǎn)進(jìn)行換算,然后在描述預(yù)期道路的數(shù)表中找出最近點(diǎn)的兩個(gè)相鄰點(diǎn),再使用線性插值法計(jì)算預(yù)瞄點(diǎn)坐標(biāo),求得預(yù)瞄點(diǎn)側(cè)向位移。該方法對(duì)于道路變化具有較高的適應(yīng)性,但是大量的坐標(biāo)變換使得算法的整體計(jì)算量較大。文獻(xiàn)[7]中提出了圓弧式預(yù)瞄位置確定法,該方法無(wú)需坐標(biāo)變換也無(wú)需求解復(fù)雜方程組,提高了計(jì)算效率,但是當(dāng)期望路徑發(fā)生變化,而固定預(yù)瞄距離選取不當(dāng)時(shí),獲取預(yù)瞄點(diǎn)就需要重新進(jìn)行路徑規(guī)劃或通過(guò)更復(fù)雜的算法重新確定預(yù)瞄距離。
對(duì)于人-車(chē)-路閉環(huán)系統(tǒng)而言,預(yù)瞄時(shí)間與預(yù)瞄距離對(duì)于系統(tǒng)的穩(wěn)定性和適應(yīng)性具有較大影響[8-9],如何使得系統(tǒng)在預(yù)瞄參數(shù)不變的情況下,適應(yīng)更多路況,對(duì)于降低算法的整體計(jì)算量和提高系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性具有重要意義。為此,本文中基于預(yù)瞄最優(yōu)曲率模型,探究了一種依據(jù)車(chē)輛實(shí)際行駛路程獲取預(yù)瞄點(diǎn)和預(yù)瞄點(diǎn)側(cè)向位移的弧長(zhǎng)預(yù)瞄算法。并且,根據(jù)2自由度車(chē)輛模型確定了此種方法下的預(yù)瞄點(diǎn)側(cè)向位移與前輪轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系,然后利用新建立的系統(tǒng)方框圖[10],在CarSim與Simulink聯(lián)合仿真環(huán)境下驗(yàn)證了該方法在預(yù)瞄參數(shù)不變的情況下適應(yīng)不同道路工況的有效性與可靠性[11],最后,對(duì)該方法下的人-車(chē)-路閉環(huán)系統(tǒng)轉(zhuǎn)向盤(pán)穩(wěn)定性影響因素進(jìn)行了仿真分析。
2自由度車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型的運(yùn)動(dòng)微分方程[12]為
式中:m為車(chē)輛質(zhì)量;u為穩(wěn)態(tài)條件下的縱向車(chē)速;a為質(zhì)心到前軸的距離;b為質(zhì)心到后軸的距離;Iz為車(chē)輛繞OZ軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;k1為前輪側(cè)偏剛度;k2為后輪側(cè)偏剛度為質(zhì)心側(cè)向加速度;ωr為橫擺角速度為橫擺角加速度;β為質(zhì)心側(cè)偏角;δ為前輪轉(zhuǎn)角。
根據(jù)Ackermann幾何關(guān)系,將車(chē)輛在行駛時(shí)的某一時(shí)刻等效為沿半徑R的曲線期望路徑行駛的穩(wěn)態(tài)條件[13],如圖1所示。在該穩(wěn)態(tài)條件下,車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型的運(yùn)動(dòng)微分方程為
式中:vss為穩(wěn)態(tài)條件下的側(cè)向速度;ωrss為穩(wěn)態(tài)條件下的橫擺角速度;δss為穩(wěn)態(tài)條件下的前輪轉(zhuǎn)角。
圖1 車(chē)輛穩(wěn)態(tài)行駛相對(duì)坐標(biāo)系
如圖1所示,基于預(yù)瞄最優(yōu)曲率模型,以車(chē)輛等效質(zhì)心為原點(diǎn)O,以車(chē)輛行駛方向?yàn)檎齾^(qū)間,以車(chē)輛縱向速度方向?yàn)閄軸,車(chē)輛側(cè)向速度方向?yàn)閅軸,建立車(chē)輛行駛相對(duì)坐標(biāo)系[5]。將車(chē)輛行駛中的某一時(shí)刻凍結(jié),此時(shí)車(chē)輛狀態(tài)可等效為駕駛員沿著一個(gè)軌跡曲率為轉(zhuǎn)向中心為G點(diǎn)的期望路徑L行駛。然后,設(shè)駕駛員沿著X軸方向有一個(gè)預(yù)瞄參考點(diǎn)C;C*為L(zhǎng)上距離C最近的一點(diǎn);d為C點(diǎn)到O點(diǎn)的距離;oss為C點(diǎn)到C*點(diǎn)的距離;設(shè)預(yù)瞄點(diǎn)P為沿車(chē)輛行駛方向的期望軌跡L上,到車(chē)輛質(zhì)心O的弧長(zhǎng)恰好等于d的一點(diǎn)為預(yù)瞄點(diǎn)P到X軸的距離(即預(yù)瞄點(diǎn)側(cè)向位移)。
式中:dp為固定預(yù)瞄距離;tp為預(yù)瞄時(shí)間。
根據(jù)式(2)和車(chē)輛做穩(wěn)態(tài)圓周運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,可知
由式(2)展開(kāi)消去vss得到 δss與 ωrss的關(guān)系式,再代入式(4)可得
于是期望的前輪轉(zhuǎn)角δss與oss之間的關(guān)系為
式中Vss為車(chē)輛實(shí)際行駛方向上的綜合車(chē)速。此時(shí),C點(diǎn)的坐標(biāo)為(d,0),G點(diǎn)的坐標(biāo)為可得
根據(jù)式(7)與式(12)可知期望的前輪轉(zhuǎn)角δss與新定義的預(yù)瞄點(diǎn)側(cè)向位移之間的關(guān)系式為
式(14)是在相對(duì)坐標(biāo)系下得出的,但式中并未包含需要進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的參數(shù),所以無(wú)論是相對(duì)坐標(biāo)系還是絕對(duì)坐標(biāo)系下,只要能夠求得新定義的預(yù)瞄點(diǎn)側(cè)向位移則該關(guān)系式就可適用。根據(jù)之前的定義,預(yù)瞄點(diǎn)P為沿車(chē)輛行駛方向的期望軌跡L上,到車(chē)輛質(zhì)心O的弧長(zhǎng)恰好等于d的一點(diǎn)為預(yù)瞄點(diǎn)P到X軸的距離。為了求得P,需要將前期規(guī)劃出的曲線轉(zhuǎn)化為一系列點(diǎn)集,點(diǎn)集的定義為(xi,yi,si)[16]。
圖2 曲線點(diǎn)集化描述
如圖2所示,xi,yi,si分別為各采集點(diǎn)在大地慣性坐標(biāo)系下的橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)和到規(guī)劃起始點(diǎn)(xO,yO,sO)的路程,Δx=xi-xi-1為定值,各點(diǎn)之間作線性插值處理。每一路徑規(guī)劃周期內(nèi),(xO,yO,sO)即為規(guī)劃開(kāi)始時(shí)的車(chē)輛質(zhì)心位置的世界坐標(biāo),則此時(shí)預(yù)瞄點(diǎn)P到(xO,yO,sO)的弧長(zhǎng)即為預(yù)瞄距離d,根據(jù)積分中值定理,點(diǎn)集中一定存在且唯一存在兩個(gè)相鄰點(diǎn),使得si-1≤d≤si,所以不會(huì)出現(xiàn)其它算法容易出現(xiàn)的多參考點(diǎn)問(wèn)題,而此時(shí)預(yù)瞄點(diǎn)P的位置坐標(biāo)為
當(dāng)車(chē)輛駛離規(guī)劃起始點(diǎn)后,假設(shè)車(chē)輛始終沿著規(guī)劃路徑行駛,設(shè)其行駛路程為sr,則此時(shí)預(yù)瞄點(diǎn)P的坐標(biāo)為
式中:si-1≤sr+d≤si;(xi-1,yi-1,si-1)和(xi,yi,si)為點(diǎn)集中的兩相鄰點(diǎn)。
在大地慣性坐標(biāo)系下獲得預(yù)瞄點(diǎn)P的坐標(biāo)后,假設(shè)車(chē)輛的航向角為φ,預(yù)瞄距離為d,如圖3所示。
圖3 大地慣性坐標(biāo)下新定義的預(yù)瞄示意圖
圖中,(xt,yt)為參考點(diǎn)C大地坐標(biāo),(xp,yp)為預(yù)瞄點(diǎn)P大地坐標(biāo),(xr,yr)為車(chē)輛質(zhì)心大地坐標(biāo),可得
如圖4所示,在預(yù)瞄最優(yōu)曲率模型中,期望路徑L的軌跡中心線側(cè)向距離被描述為時(shí)間t的函數(shù)f(t)。在所考察的瞬時(shí)t,車(chē)輛即時(shí)狀態(tài)為y=y(t),當(dāng)駕駛員預(yù)瞄距離為d時(shí),有預(yù)瞄時(shí)間為當(dāng)前時(shí)刻車(chē)速,預(yù)瞄點(diǎn)的側(cè)向距離為f(t+T)。當(dāng)駕駛員以最優(yōu)的期望轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角沿著期望最優(yōu)的軌跡曲率行駛時(shí)間T后,車(chē)輛到達(dá)預(yù)瞄點(diǎn)。此時(shí),其側(cè)向位移y(t+T)與t時(shí)刻的預(yù)期側(cè)向距離f(t+T)相一致。
圖4 預(yù)瞄最優(yōu)曲率模型的預(yù)瞄示意圖
其人-車(chē)-路閉環(huán)系統(tǒng)方框圖如圖5所示,圖中,i為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動(dòng)比,l為軸距[17],τ為延遲時(shí)間,h(s)=e-τs為延遲滯后環(huán)節(jié)為積分環(huán)節(jié)。
圖5 人-車(chē)-路閉環(huán)系統(tǒng)方框圖
弧長(zhǎng)預(yù)瞄方法如圖3所示,將期望路徑L的軌跡中心線以點(diǎn)集(xi,yi,si)的形式描述出來(lái),預(yù)瞄點(diǎn)的側(cè)向距離被描述為關(guān)于行駛路程s的函數(shù)f(s)。設(shè)在t時(shí)刻f(t)=f(s),在(t+T)時(shí)刻f(t+T)=f(s+d),預(yù)瞄時(shí)間T為車(chē)輛以當(dāng)前車(chē)速沿著期望路徑行駛預(yù)瞄距離d所需的時(shí)間?;¢L(zhǎng)預(yù)瞄方法下的側(cè)向跟蹤閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖如圖6所示,圖中,P0為式(15)代表插值環(huán)節(jié),P1為式(19)代表預(yù)瞄環(huán)節(jié),P2為式(14)代表跟隨環(huán)節(jié),δ*ss為最優(yōu)的期望前輪轉(zhuǎn)角,V(s)代表被控車(chē)輛[18]。
圖6 側(cè)向跟蹤閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖
CarSim是廣泛運(yùn)用于車(chē)輛動(dòng)力學(xué)仿真及智能駕駛仿真環(huán)境搭建的商業(yè)軟件。本文中根據(jù)推導(dǎo)的側(cè)向跟蹤閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖,在Simulink中建立路徑跟蹤側(cè)向控制器,并利用該控制器在CarSim/Simulink聯(lián)合仿真環(huán)境下建立“人-車(chē)-路”閉環(huán)仿真系統(tǒng),以進(jìn)行下列工況的仿真分析[19]。其中仿真參數(shù)如表1所示。
表1 仿真參數(shù)
為了衡量弧長(zhǎng)預(yù)瞄方法下的側(cè)向控制算法運(yùn)算速度,建立文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]中所采用的半徑為80 m的環(huán)形路徑,并用40個(gè)有序路徑點(diǎn)描述該路徑。設(shè)置仿真時(shí)間為35 s,車(chē)速為60 km/h,仿真步長(zhǎng)取1 ms,其余參數(shù)如表1所示,仿真結(jié)果如圖7所示。
圖7 圓周工況車(chē)輛行駛軌跡
如圖7所示,車(chē)輛能夠獲得良好的跟隨效果,表明所述弧長(zhǎng)預(yù)瞄方法下的路徑跟蹤側(cè)向控制模型對(duì)于簡(jiǎn)單路況有效。在該工況下,文獻(xiàn)[6]中所述的預(yù)瞄閉環(huán)系統(tǒng)仿真平均用時(shí)7.57 s,文獻(xiàn)[7]中的則用時(shí)6.36 s。為了更客觀地評(píng)價(jià)本算法的運(yùn)算速度,本文中在兩臺(tái)計(jì)算機(jī)上分別進(jìn)行了20次相同工況的仿真,得出文中所述弧長(zhǎng)預(yù)瞄方法下的閉環(huán)仿真系統(tǒng)平均運(yùn)算時(shí)長(zhǎng)為3.75和4.56 s(計(jì)算機(jī)配置為:神舟T6-X5,CPU i5-7300HQ,主頻2.5 GHz和Thinkpad T540P,CPU i7-4710MQ,主頻2.5 GHz)。結(jié)果表明該模型具有較快的運(yùn)算速度。
4.2.1 “7S”道路
為檢驗(yàn)所述基于弧長(zhǎng)預(yù)瞄方法的路徑跟蹤側(cè)向控制模型在復(fù)雜道路上的跟蹤精度,建立文獻(xiàn)[6]中所述的“7S”道路,該道路由7個(gè)彎道組成,總長(zhǎng)560 m,設(shè)置仿真時(shí)間為50 s,車(chē)速為40 km/h,仿真步長(zhǎng)取1 ms,其余參數(shù)如表1所示,仿真結(jié)果如圖8和圖9所示,全路段平均跟蹤誤差約為0.08 m,其中最大瞬時(shí)跟蹤誤差約為0.53 m。因此,該模型在預(yù)瞄時(shí)間和預(yù)瞄距離不變的情況下依然能夠在復(fù)雜工況下保持較高的跟蹤精度。
4.2.2 上海國(guó)際賽道
圖8 7S道路上的軌跡跟蹤
圖9 7S道路上的跟蹤誤差
為更好地驗(yàn)證該模型在速度隨路程變化而預(yù)瞄距離與預(yù)瞄時(shí)間不變的條件下對(duì)于復(fù)雜道路的適應(yīng)性與跟隨性,本文中將總長(zhǎng)度約為5.5 km的上海國(guó)際賽道用1 386個(gè)有序路徑點(diǎn)描述出來(lái),并運(yùn)用縱向速度跟蹤控制器建立如圖10所示的速度隨路程變化的仿真模型,仿真時(shí)間修改為335 s,仿真步長(zhǎng)1 ms,其它仿真參數(shù)不變。
圖10 上海賽道速度隨路程變化曲線
仿真結(jié)果如圖11和圖12所示,車(chē)輛行駛軌跡與期望路徑幾乎完全重合,全路段平均跟蹤誤差約為0.02 m,最大瞬時(shí)跟蹤誤差約為0.60 m。由此可知,該模型在預(yù)瞄時(shí)間和固定預(yù)瞄距離不變的情況下不僅能夠適應(yīng)復(fù)雜工況及縱向速度變化,還能夠保持較高的跟蹤精度。
圖11 上海賽道的軌跡跟蹤
圖12 上海賽道的跟蹤誤差
在進(jìn)行CarSim/Simulink聯(lián)合仿真時(shí)發(fā)現(xiàn),當(dāng)預(yù)瞄距離在某些范圍內(nèi)取值時(shí),轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角會(huì)發(fā)生劇烈的振蕩,而這會(huì)嚴(yán)重影響人-車(chē)-路閉環(huán)仿真系統(tǒng)的穩(wěn)定性與路徑跟蹤控制算法的控制精度,為探明影響轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角穩(wěn)定性的具體原因,進(jìn)行如下仿真分析。
對(duì)于人-車(chē)閉環(huán)系統(tǒng),其系統(tǒng)穩(wěn)定性受駕駛?cè)嘶蛘哕?chē)輛響應(yīng)延遲τ和駕駛?cè)祟A(yù)瞄距離d的影響。當(dāng)預(yù)瞄距離d大于臨界前視距Lp(即車(chē)輛以當(dāng)前車(chē)速V在延遲時(shí)間τ內(nèi)行駛的距離)時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定,否則系統(tǒng)不穩(wěn)定[8]。為了研究人-車(chē)-路閉環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角穩(wěn)定性是否仍然符合該特性,進(jìn)行如下仿真實(shí)驗(yàn):設(shè)響應(yīng)延遲時(shí)間 τ為0.1 s,目標(biāo)車(chē)速V為45 km/h(故Lp=τV=1.25 m),仿真時(shí)長(zhǎng)35 s,行駛路徑為4.1節(jié)中所述的圓周工況,插值方式采用線性插值法,預(yù)瞄距離d分別取1和3 m,其余參數(shù)與表1相同,結(jié)果如圖13所示。
由圖13可見(jiàn),在預(yù)瞄距離d小于臨界前視距Lp時(shí),轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角發(fā)生劇烈振蕩;在預(yù)瞄距離d大于臨界前視距Lp時(shí),轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角振蕩幅度明顯減小,但是劇烈振蕩仍然存在??梢?jiàn),人-車(chē)-路閉環(huán)系統(tǒng)下的轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角穩(wěn)定條件與人-車(chē)閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定條件并不完全一致。
文獻(xiàn)[6]中指出期望路徑的方向不連續(xù)性會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角振蕩,并通過(guò)改變插值方式以增強(qiáng)期望路徑點(diǎn)方向的連續(xù)性的方法,有效緩解了該問(wèn)題。因此,為研究人-車(chē)-路閉環(huán)系統(tǒng)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角的穩(wěn)定性是否只與路徑方向的不連續(xù)性有關(guān),在5.1節(jié)中的仿真條件下,將線性插值法改為Cubic Spline插值法以增強(qiáng)期望路徑點(diǎn)方向連續(xù)性,結(jié)果如圖14所示。
圖14 Cubic Spline插值下的轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角
由圖14可見(jiàn),采用Cubic Spline插值法后,當(dāng)預(yù)瞄距離d大于臨界前視距Lp時(shí),轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角隨著d增大振蕩逐漸收斂,轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角穩(wěn)定性明顯增強(qiáng);當(dāng)預(yù)瞄距離d小于臨界前視距Lp時(shí),轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角仍然存在較大振蕩。
由上可知,人-車(chē)-路閉環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向盤(pán)穩(wěn)定性不僅受駕駛?cè)耍ɑ蛘哕?chē)輛)響應(yīng)延遲時(shí)間τ和駕駛?cè)祟A(yù)瞄距離d的影響,也受期望路徑點(diǎn)方向連續(xù)性的影響;當(dāng)期望路徑點(diǎn)方向具有較高連續(xù)性,且系統(tǒng)預(yù)瞄距離d大于臨界前視距Lp時(shí),轉(zhuǎn)向盤(pán)趨于穩(wěn)定。
基于預(yù)瞄最優(yōu)曲率模型,本文中提出了一種依據(jù)弧長(zhǎng)預(yù)瞄方法的路徑跟蹤側(cè)向控制模型,通過(guò)建模、仿真和分析,可得如下結(jié)論。
(1)采用弧長(zhǎng)預(yù)瞄方法的路徑跟蹤側(cè)向控制模型,無(wú)需相對(duì)坐標(biāo)與大地坐標(biāo)相互變換和求解高階方程組,明顯提高了人-車(chē)-路閉環(huán)系統(tǒng)的仿真速度,若將其運(yùn)用到無(wú)人駕駛控制領(lǐng)域,可彌補(bǔ)環(huán)境感知、數(shù)據(jù)融合與路徑規(guī)劃計(jì)算量較大的不足。
(2)采用弧長(zhǎng)預(yù)瞄方法的路徑跟蹤側(cè)向控制模型,在速度發(fā)生變化而預(yù)瞄距離和預(yù)瞄時(shí)間不變的條件下,對(duì)于不同復(fù)雜程度期望路徑都能保持較高的跟蹤精度與較高的適應(yīng)性。
(3)采用弧長(zhǎng)預(yù)瞄方法下的人-車(chē)-路閉環(huán)系統(tǒng),其轉(zhuǎn)向盤(pán)穩(wěn)定性同時(shí)受駕駛?cè)耍ɑ蛘哕?chē)輛)響應(yīng)延遲時(shí)間τ、預(yù)瞄距離d和路徑點(diǎn)方向連續(xù)性的影響,當(dāng)期望路徑點(diǎn)方向具有較高連續(xù)性,且系統(tǒng)預(yù)瞄距離d大于臨界前視距Lp時(shí),轉(zhuǎn)向盤(pán)趨于穩(wěn)定。
(4)本文中的弧長(zhǎng)預(yù)瞄方法路徑跟蹤側(cè)向控制模型在仿真環(huán)境下,不僅跟蹤精度較高,適應(yīng)性較高,還具有計(jì)算速度快等特點(diǎn),對(duì)路徑跟蹤控制器、駕駛員模擬器及無(wú)人駕駛系統(tǒng)仿真軟件開(kāi)發(fā)等方面有較高的參考價(jià)值。