基于车辆—道路模型的驾驶员行为建模

发布时间：2020-08-20 17:59

【摘要】：随着自动控制、电子信息等技术的迅猛发展以及这些技术在车辆上的应用愈加广泛,汽车正朝着更加智能化的方向发展。实现车辆的智能驾驶逐渐成了国内外广大学者以及汽车生产商的研究目标。轨迹规划与跟踪控制车辆智能驾驶中占有着重要的研究地位。其中,轨迹规划是整个智能驾驶过程中车辆安全运行的基础。然而,目前大多数的轨迹规划方法通常忽略了车辆高速行驶时的安全要求。而驾驶员模型作为车辆实现轨迹跟踪控制的手段,通常都是将其划分成横向模型和纵向模型两种模型进行研究。但是,考虑到车辆的两个方向运动之间的耦合特性,仅仅考虑单一方向的运动状态来分别设计驾驶员模型会导致其控制效果产生较大误差。本文将针对这两个问题进行探讨分析。本论文受国家重点研发计划项目(2016YFB0101102)“电动汽车智能辅助驾驶技术研发及产业化”的资助,主要包括如下几个方面:通过使用双曲正切函数对车辆在直线道路上的单变道轨迹进行解析表示,然后结合道路信息以及车辆自身状态信息,考虑到安全驾驶需求,以车辆转向时所受到的横/纵合力的摩擦圆约束为依据,得到轨迹解析式中的各个参数的约束域,并根据驾驶员对轨迹特性的需求设计优化函数,进而获得满足驾驶员特性的最优变道轨迹。在驾驶员模型设计中,考虑车辆横/纵向运动的耦合特性,建立了车辆三自由度单轨模型,并结合道路环境建立车辆—道路模型。然后根据分层控制思想,将控制器分成转向控制器与跟踪控制器,利用PID控制方法分别设计控制器,使车辆状态量跟踪上各自的期望值。在下层控制器设计中,通过轨迹曲率与车辆速度与前轮转角之间的关系,得到期望的前轮转角,并利用伪逆法得到车辆轮胎的横向力与纵向力,实现整个驾驶员模型的设计。最后,在Matlab/Simulink中搭建车辆—道路模型,对车辆直线行驶时的各种工况进行仿真设计,并搭建所设计的驾驶员模型,对不同工况下的驾驶员模型的控制效果进行观察。仿真结果表明本文设计的驾驶员模型可以在车辆直线行驶的各种工况下对车辆的横/纵向运动进行统一准确的控制,进而说明本文对自动驾驶技术的发展具有一定的理论基础和工程意义。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U491.25
【图文】：

道路环境,双曲正切函数

结合以上思路，首先观察道路环境如图 2.1:图 2.1 中将车辆简化成质点，考虑到车辆自身宽度以及其余道路边界避免最小安全距离，上下两部分灰色虚线所夹区域即为车辆完成变道操作后其在的安全区域。通过阅读相关驾驶员横向模型文献以及自身实际观察，车辆执行变道行为轨迹的解析形式表达方法对轨迹约束获取具有参考作用，参考文献[11]对表示方法，本次研究中将单变道操作的轨迹通过双曲正切函数进行近似表如下：1.通过调节双曲正切函数的参数，可以使其图像满足相对于一点中心对特点在实际变道轨迹上同样存在。2.双曲正切函数是可微的，也就是说通过双曲正切函数表现出的轨迹满足驶时期望轨迹满足的平滑变化的这一基本的必要条件。3.在以往的文献中，已经有相关学者采用双曲函数作为期望轨迹的表达，chnelle, S.等人设计驾驶员模型时，将双曲正切函数作为期望轨迹的发生，该轨迹表达方式具有足够的文献及理论支持。质心距上车道线

方向图,道路,坐标系,车辆

纵向行驶方向图 2.2 道路坐标系表示的是车辆在纵向行驶共 2b 的距离时其横向的位移变辆的横向位移变化量，b 为轨迹的路程参数，表示车辆执期望距离的1/2，k 为轨迹的横向位移参数，表示车辆执行望总位移的1/2，h 为车辆在大地坐标系上的初始横向位路程，a 为轨迹的平缓度参数，表示轨迹的平缓程度。的约束求取据道路环境安全需要以及车辆横向运动稳定性需要分别正切函数的各个参数的约束进行解析。数和横向位移参数的约束解析首先假设车辆执行变道操作时其纵向行驶路程是已知的，过道路宽度 D，车辆与边线的安全距离 dbuff，车辆自身宽

双曲正切函数,图像

min max,4 2 2 2 4 2 2 buff buffd dw h D w hk k ··················如此，便得到了轨迹解析式中参数 h、k 的约束域。2.平缓度参数的约束解析在确定了 h、k 的约束后，整个曲线参数仅剩 a 未处理，下面将根据车安全约束来获得 a 的约束以得到整个轨迹的约束集。(1)确定a的下限图 2.3 是双曲正切函数tanh( )的一段图像，若在一段直线路程中完成变，车辆则需要经历“直行→转向→直行”的状态变化，而在这段轨迹的初和结束阶段分别对应着车的初始状态以及结束状态，从轨迹图像可知，双函数在趋于正/负无穷时其值无限趋近于±1，也就是其斜率接近 0。这在标系中，与车辆执行变道操作的路线的初始/结束状态正好吻合，因此，双曲正切函数设计轨迹时，需要保证在道路的初始以及末端时轨迹曲线中正切函数tanh[ a (x-b) ]的函数值趋近于±1。

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