自动驾驶汽车紧急避撞系统的转向制动协调控制研究

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随着科学技术的不断进步,自动驾驶汽车已经逐渐出现在人们的视野中,在遇到前方突发障碍物情况时,自动驾驶汽车必须像经验丰富的驾驶员一样具有良好的应对能力。在智能车的发展完善过程中,紧急避撞是未来较长时间内交通过程中不可避免的危险工况。在自动驾驶车辆紧急避撞过程中,由于路面附着较低、车速较快等工况,极有可能出现车辆的稳定性问题。在这种自动驾驶紧急避撞工况下,转向控制的道路跟踪控制保证自动驾驶车辆跟踪目标避撞轨迹,制动系统的稳定性控制保证汽车在极限操纵情况下的行驶稳定性,但两者的控制目标并不一致,很有可能导致自动驾驶车辆紧急避撞过程失败。目前的方法,在横摆力矩系统介入稳定性控制时都没有考虑人或者自动驾驶转向意图。本文考虑驾驶决策对制动系统中横摆力矩控制器的影响和横摆力矩控制器对驾驶决策影响的情况下,提出一种基于Nash博弈理论的转向制动协调控制方法保证车辆在紧急避撞时,自动转向意图与稳定性控制同时在环控制。此方法使得系统在动态演化过程中,各参与者在进行控制决策时,不仅考虑自身的利益函数,还会考虑其他参与者的利益函数,可以解决两智能体之间的控制冲突,得到自动驾驶转向控制与横摆力矩稳定控制的全局最优的控制解。首先搭建了制动控制系统,包括上层直接横摆力矩控制和底层压力闭环控制。基于线性二次型(LQR)的上层控制控制用来计算使车辆稳定的附加横摆力矩,搭配制动力分配逻辑计算出应施加于每个车轮的制动压力;压力闭环控制器通过对液压执行单元中各电磁阀的控制,完成上层所需的附加横摆力矩。然后搭建了转向系统基于LQR算法的上层控制策略和底层控制器,上层控制可以实现跟踪道路的功能,底层控制器可以快速、精准的执行上层所需的目标方向盘转角。最后搭建基于Nash博弈的转向、制动协调控制策略。自动转向系统体现驾驶员意图跟踪避撞道路,直接横摆力矩控制保证汽车稳定性,但是两种控制系统的控制目标并不一致,极易使避让意图和稳定性控制发生冲突。而本文采用的Nash博弈的方法正确地模拟了驾驶员决策与控制器之间的相互作用,减弱了转向控制系统和制动控制系统之间的冲突。为了对所设计的控制策略进行验证,将MATLAB/Simulink搭建的控制策略和道路模型与CarSim中的车辆模型进行联合仿真,结合了转向系统和制动系统的二自由度汽车模型用来求取目标控制律,CarSim中的车速和附着率设置为高速低附着的极限工况。仿真结果证明了避撞时转向制动协调控制策略可以保证车辆在进行避撞操作时,能较好跟踪避撞轨迹的同时还维持车辆的稳定性。为了验证在真实情况中转向系统与制动系统的相应情况,本文基于NI-PXI与dSPACE搭建了包含自动驾驶汽车转向系统和制动系统的硬件在环试验台,并取得了理想效果。
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