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一種預(yù)瞄距離自適應(yīng)的智能車輛橫向控制方法與流程

文檔序號:11427024閱讀:2371來源:國知局
一種預(yù)瞄距離自適應(yīng)的智能車輛橫向控制方法與流程

本發(fā)明屬于智能車輛運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域,涉及一種智能車輛橫向控制方法,特別涉及一種基于模糊理論和迭代學(xué)習(xí)理論的預(yù)瞄距離計(jì)算方法。



背景技術(shù):

智能車輛運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)根據(jù)控制目標(biāo)的不同分為縱向控制和橫向控制兩類。其中,橫向控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智能車輛自主行駛的關(guān)鍵技術(shù)之一。預(yù)瞄式橫向控制以車輛前方預(yù)瞄點(diǎn)處的位姿誤差為控制器輸入,對參考路徑變化有良好的適應(yīng)性。

仿真和試驗(yàn)結(jié)果顯示,在參考路徑曲率連續(xù)變化工況下,預(yù)瞄距離的選擇對路徑跟蹤精度、車輛操縱穩(wěn)定性和乘坐舒適性有顯著影響。目前,預(yù)瞄式橫向控制器設(shè)計(jì)中,通常將預(yù)瞄距離表示為縱向車速的一次或二次函數(shù)。專利cn103439884a以固定預(yù)瞄距離設(shè)計(jì)了智能車輛橫向控制器。該方法僅能保證橫向控制精度滿足需求,隨著縱向車速的增加,車輛質(zhì)心側(cè)向加速度逼近或超過0.4g,導(dǎo)致線性化動(dòng)力學(xué)模型描述不準(zhǔn)確,不僅使橫向控制精度下降,車輛操縱穩(wěn)定性和乘坐舒適性均有所惡化。



技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題,本發(fā)明需要提出一種預(yù)瞄距離自適應(yīng)的智能車輛橫向控制方法,既要使智能車輛在參數(shù)變化和外界干擾情況下實(shí)現(xiàn)對路徑的精確跟蹤,又要兼顧跟蹤過程中車輛操縱穩(wěn)定性和乘坐舒適性。

為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo),本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種預(yù)瞄距離自適應(yīng)的橫向控制方法,包括以下步驟:

步驟1,首先建立整車14自由度非線性車輛動(dòng)力學(xué)模型作為參考模型;

步驟2,構(gòu)建分層式橫向控制器,分層式橫向控制器分為上層控制器和下層控制器兩部分;上層控制器由模糊控制器和迭代控制器并聯(lián)組成,下層控制器為滑??刂破鳎?/p>

步驟3,根據(jù)車輛與參考路徑的幾何關(guān)系建立的預(yù)瞄運(yùn)動(dòng)學(xué)模型接收步驟1的車輛動(dòng)力學(xué)模型產(chǎn)生的縱向速度vx、側(cè)向速度vy和橫擺角速度ω?cái)?shù)據(jù),結(jié)合參考路徑曲率ρ計(jì)算預(yù)瞄點(diǎn)處車輛的橫向、方向誤差ε,并作為滑??刂破鬏斎?;

步驟4,以消除預(yù)瞄點(diǎn)處綜合誤差el為控制目標(biāo),設(shè)計(jì)切換函數(shù)s,使用飽和函數(shù)替代符號函數(shù)設(shè)計(jì)趨近率,聯(lián)立切換函數(shù)的導(dǎo)數(shù)和趨近率,并代入車輛橫向動(dòng)力學(xué)模型得到所需滑模控制器;

步驟5,基于實(shí)時(shí)的車輛狀態(tài)信息:車輛質(zhì)心側(cè)偏角β、橫擺角速度ω、預(yù)瞄點(diǎn)處橫向誤差y、方向誤差ε設(shè)計(jì)模糊控制器;

步驟6,設(shè)計(jì)迭代控制器:首先設(shè)計(jì)開環(huán)學(xué)習(xí)律,被控對象包含滑??刂破骱蛙囕v動(dòng)力學(xué)模型;將車輛實(shí)際行駛方向和參考路徑預(yù)瞄點(diǎn)處切線方向的方向誤差為開環(huán)學(xué)習(xí)律的輸入,開環(huán)學(xué)習(xí)律當(dāng)前時(shí)刻得出的結(jié)果與上一時(shí)刻得出的結(jié)果相加發(fā)送至存儲器儲存,同時(shí)傳送至被控對象;

步驟7,自適應(yīng)預(yù)瞄距離計(jì)算。

進(jìn)一步,所述步驟1的車輛動(dòng)力學(xué)模型為:

式中:a、b分別為車輛質(zhì)心距前、后軸的距離,m;ω為橫擺角速度,rad/s;vx、vy分別為縱向速度、側(cè)向速度,m/s;iz為整車?yán)@z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,kg.m2;fi為懸架與車身鏈接點(diǎn)的懸架力;fic為輪胎側(cè)向力,由dugoff輪胎模型獲得。

進(jìn)一步,所述步驟3的預(yù)瞄運(yùn)動(dòng)學(xué)模型為:

根據(jù)車輛與參考路徑的幾何關(guān)系計(jì)算預(yù)瞄點(diǎn)處的橫向誤差及方向誤差,表達(dá)式為:

式中:y為預(yù)瞄點(diǎn)處橫向誤差,m;ε為預(yù)瞄點(diǎn)處方向誤差,rad;r、l分別道路曲率半徑和預(yù)瞄距離,m;vx、vy分別為縱向速度、側(cè)向速度。

進(jìn)一步,所述步驟4的滑??刂破鳛椋?/p>

定義綜合偏差el:

式中:γ為權(quán)重系數(shù);ymax、ymin、εmax、εmin分別為橫向誤差與方向誤差的最大、最小值;

γ的取值由試測法確定;

定義切換函數(shù)s:

式中:c為常數(shù);

設(shè)計(jì)指數(shù)趨近率slaw,以飽和函數(shù)sat(s)代替符號函數(shù)sgn(s):

slaw=-ηsat(s)-ks

式中:η,k為控制器常數(shù);

對切換函數(shù)s求導(dǎo),令代入車輛橫向動(dòng)力學(xué)模型,得滑模控制器輸出前輪轉(zhuǎn)向角δ。

進(jìn)一步,所述步驟5的模糊控制器設(shè)計(jì)如下:

s3.1,定義預(yù)瞄點(diǎn)處綜合偏差向左為正,向右為負(fù),定義車輛質(zhì)心側(cè)向加速度向左為負(fù),向右為正,定義綜合偏差和負(fù)質(zhì)心側(cè)偏加速度為模糊控制器輸入,控制器輸出為預(yù)瞄距離補(bǔ)償量δl1;

s3.2,綜合誤差和質(zhì)心側(cè)向加速度均轉(zhuǎn)化為[-6,6]的模糊集,模糊子集的語言變量為{nb,nm,ns,ze,ps,pm,pb},輸出變量轉(zhuǎn)化為[0,1]的模糊集,語言變量為{nb,nm,ns,ze,ps,pm,pb},其中nb,nm,ns,ze,ps,pm,pb分別稱為負(fù)大,負(fù)中,負(fù)小,零,正小,正中,正大;選擇三角函數(shù)作為輸入、輸出變量的隸屬度函數(shù),模糊邏輯推理采用mamdani法,重心法作為解模糊判決;

s3.3,采用專家經(jīng)驗(yàn)法定義模糊規(guī)則表,模糊控制規(guī)則由if-then模糊語句構(gòu)成:

其中為輸入變量模糊子集語言變量,bi為輸出變量模糊子集語言變量,i=1,2,…,49代表模糊規(guī)則的數(shù)目。

進(jìn)一步,所述步驟6中,迭代控制器的具體設(shè)計(jì)過程為:以滑??刂破骱蛙囕v動(dòng)力學(xué)模型為被控對象,以消除方向誤差為控制目標(biāo),迭代控制器輸出為下一時(shí)刻的預(yù)瞄距離,設(shè)計(jì)pid型開環(huán)迭代學(xué)習(xí)律,則預(yù)瞄距離補(bǔ)償量為:

式中:kp、kd、ki分別為比例、微分、積分系數(shù),εk(t)為當(dāng)前時(shí)刻方向誤差。

進(jìn)一步,所述步驟7的自適應(yīng)預(yù)瞄距離計(jì)算為:將初始預(yù)瞄距離l′=0.5vx與預(yù)瞄距離補(bǔ)償量δl1、δl2累加得:l=0.5vx+δl1+δl2;其中vx為縱向速度。

本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明提出了一種預(yù)瞄距離自適應(yīng)的橫向分層控制器。不同于常規(guī)橫向控制器當(dāng)縱向車速恒定時(shí),預(yù)瞄距離為定值。本發(fā)明將預(yù)瞄點(diǎn)處的橫向誤差、方向誤差、質(zhì)心側(cè)向加速度作為預(yù)瞄距離修正的參考因素。上層控制器結(jié)合實(shí)時(shí)的車輛狀態(tài)信息計(jì)算出合理的預(yù)瞄距離,下層控制器接收上層控制器計(jì)算得出的預(yù)瞄距離,實(shí)現(xiàn)對參考路徑的精確跟蹤。這種橫向控制器不僅保證了智能車輛路徑跟蹤精度滿足需求,同時(shí)兼顧了路徑跟蹤過程中,車輛的操縱穩(wěn)定性和乘坐舒適性。

附圖說明

圖1是橫向控制系統(tǒng)控制流程示意圖;

圖2是整車14自由度車輛動(dòng)力學(xué)模型示意圖;

圖3是智能車輛與參考路徑幾何關(guān)系示意圖;

圖4是輸入變量的隸屬度函數(shù)示意圖;

圖5是輸出變量的隸屬度函數(shù)示意圖;

圖6是迭代學(xué)習(xí)控制器結(jié)構(gòu)示意圖;

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的實(shí)施過程:

如圖1所示,本發(fā)明提及的橫向控制系統(tǒng)包括預(yù)瞄運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、分層式橫向控制器、車輛動(dòng)力學(xué)模型三部分。其中,分層式橫向控制器分為上層控制器和下層控制器兩部分。上層控制器由模糊控制器和迭代控制器并聯(lián)組成。下層控制器為滑??刂破?。

控制系統(tǒng)的具體工作流程為預(yù)瞄運(yùn)動(dòng)學(xué)模型根據(jù)當(dāng)前車輛縱向車速vx、橫向車速vy、橫擺角速度ω和參考路徑曲率ρ計(jì)算得出預(yù)瞄點(diǎn)處橫向誤差y、方向誤差ε。

上層控制器首先發(fā)送初始預(yù)瞄距離l至下層控制器。下層控制器以初始預(yù)瞄點(diǎn)處位姿誤差為輸入,對參考路徑進(jìn)行跟蹤。行駛過程中,模糊控制器接收實(shí)時(shí)的車輛質(zhì)心側(cè)偏角β、橫擺角速度ω、預(yù)瞄點(diǎn)橫向誤差y、方向誤差ε,計(jì)算得到實(shí)時(shí)車輛質(zhì)心側(cè)向加速度ay和綜合誤差el,并作為控制器輸入,以預(yù)瞄距離補(bǔ)償量δl1為控制器輸出。迭代控制器以消除方向誤差ε為目標(biāo),輸出為預(yù)瞄距離補(bǔ)償量δl2。以上述預(yù)瞄距離補(bǔ)償量對當(dāng)前預(yù)瞄距離進(jìn)行修正,再發(fā)送至下層滑模控制器,如此循環(huán)上述過程。

圖1中提及的車輛動(dòng)力學(xué)模型如圖2所示,整車14自由度簡化模型由四部分組成,分別為簧上質(zhì)量塊、懸架系統(tǒng)、橫向穩(wěn)定桿和車輪?;缮腺|(zhì)量塊是車身的簡化模型。懸架系統(tǒng)的簡化模型包括螺旋彈簧和阻尼器。車輪的簡化模型由等效螺旋彈簧和簧下質(zhì)量塊表示。左右兩側(cè)簧下質(zhì)量塊通過橫向穩(wěn)定桿連接。

本發(fā)明具體實(shí)施步驟如下:

步驟1:

建立整車14自由度動(dòng)力學(xué)模型作為參考模型。當(dāng)質(zhì)心側(cè)向加速度ay小于0.4g,前輪轉(zhuǎn)向角δ較小時(shí),參考模型的簡化動(dòng)力學(xué)方程具體如下:

式中:

a、b、d分別為車輛質(zhì)心距前、后軸的距離、1/2車輛輪距,m。ω為橫擺角速度,rad/s。vx、vy分別為縱向速度、側(cè)向速度,m/s。θ、β、分別為俯仰角、質(zhì)心側(cè)偏角、車身側(cè)傾角,rad。ix、iy、iz分別為整車?yán)@x軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、整車?yán)@y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、整車?yán)@z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,kg.m2。fi為懸架與車身連接點(diǎn)處的懸架力,n。zbi、zwi分別為懸架與車身連接點(diǎn)位移、輪胎與懸架連接點(diǎn)位移,m、kaf、kar分別為前后橫向穩(wěn)定桿側(cè)偏角剛度kn·m/rad。fic為輪胎側(cè)向力,由dugoff輪胎模型獲得。

步驟2:

預(yù)瞄運(yùn)動(dòng)學(xué)模型接收車輛動(dòng)力學(xué)模型產(chǎn)生的縱向速度vx、側(cè)向速度vy和橫擺角速度ω?cái)?shù)據(jù),結(jié)合參考路徑曲率ρ計(jì)算預(yù)瞄點(diǎn)處車輛的橫向、方向誤差y,ε,并作為下層控制器輸入。

由圖3所示的車輛與參考路徑的幾何關(guān)系圖,建立預(yù)瞄運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,則預(yù)瞄點(diǎn)處橫向誤差和方向誤差y,ε的計(jì)算方法如下:

式中:y為預(yù)瞄點(diǎn)處橫向誤差,m。ε為預(yù)瞄點(diǎn)處方向誤差,rad。r、l分別道路曲率半徑和預(yù)瞄距離,m。

將預(yù)瞄點(diǎn)處橫向誤差和方向誤差歸一化后,按一定權(quán)重組合成為綜合誤差。綜合誤差el的計(jì)算方法如下:

式中γ為權(quán)重系數(shù),γ=0.65。ymax、ymin、εmax、εmin分別為橫向誤差與方向誤差的最大、最小值。

步驟3:

以消除預(yù)瞄點(diǎn)處綜合誤差el為控制目標(biāo),設(shè)計(jì)下層滑模控制器。

定義切換函數(shù):

式中:c為常數(shù);

對切換函數(shù)s求導(dǎo)得:

設(shè)計(jì)指數(shù)趨近率,以飽和函數(shù)sat(s)代替符號函數(shù)sgn(s):

式中:η,k為控制器常數(shù);

聯(lián)立切換函數(shù)的導(dǎo)數(shù)和指數(shù)趨近率slaw,并將上述車輛動(dòng)力學(xué)微分方程代入,計(jì)算等到控制器輸出,即前輪轉(zhuǎn)向角δ。

步驟4:

基于實(shí)時(shí)的車輛狀態(tài)信息:車輛質(zhì)心側(cè)偏角β、橫擺角速度ω、預(yù)瞄點(diǎn)處橫向誤差y、方向誤差ε設(shè)計(jì)上層控制器。

步驟4.1:

實(shí)際行駛過程中駕駛員通常以前方某一點(diǎn)作為目標(biāo),通過駕駛操作使車輛在有限時(shí)間內(nèi)到達(dá)前方目標(biāo)點(diǎn)。為了能夠使駕駛過程安全、舒適,有經(jīng)驗(yàn)的駕駛員通常根據(jù)車輛的狀態(tài)和道路環(huán)境不斷調(diào)整前方目標(biāo)點(diǎn)位置。

參考上述過程,將駕駛經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為控制規(guī)則,再利用模糊理論轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)函數(shù),設(shè)計(jì)預(yù)瞄距離優(yōu)化模糊控制器。

已知,步驟2提及的綜合誤差el能夠代表車輛的路徑跟蹤精度。車身側(cè)傾角質(zhì)心側(cè)偏角β等評價(jià)指標(biāo)能夠衡量車輛的安全性和舒適性。又已知車身側(cè)傾角和質(zhì)心側(cè)偏角β與車輛質(zhì)心側(cè)向加速度ay正相關(guān)。因此選擇綜合誤差el和質(zhì)心側(cè)向加速度ay為模糊控制器輸入,預(yù)瞄距離補(bǔ)償量δl1為控制器輸出。定義質(zhì)心側(cè)向加速度向右為正,向左為負(fù)。將綜合誤差和負(fù)質(zhì)心側(cè)向加速度轉(zhuǎn)化為論域[-6,6]的模糊集。模糊子集語言變量為{nb,nm,ns,ze,ps,pm,pb},其中nb,nm,ns,ze,ps,pm,pb分別稱為負(fù)大,負(fù)中,負(fù)小,零,正小,正中,正大。將預(yù)瞄距離補(bǔ)償量δl1轉(zhuǎn)化為論域?yàn)閇0,1]的模糊集。模糊子集語言變量與輸入變量相同。預(yù)瞄距離變化過于靈敏,不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此輸入、輸出變量的隸屬度函數(shù)均為三角函數(shù)和梯形函數(shù)組成,如圖4、圖5所示。

步驟4.2采用專家經(jīng)驗(yàn)法確定模糊控制規(guī)則。模糊規(guī)則如表1所示。每一條模糊控制規(guī)則由下面的“if-then”模糊語句構(gòu)成:

其中為輸入變量模糊子集語言變量,bi為輸出變量模糊子集語言變量。i=1,2,…,49代表模糊規(guī)則的數(shù)目。模糊邏輯推理采用mamdani法,采用重心法作為解模糊判決。

任選上述模糊規(guī)則表中一例:

r(12):ifelispsand-ayisnmthenδl1ispm;

該模糊規(guī)則的具體意義是當(dāng)綜合誤差正小,質(zhì)心側(cè)向加速度負(fù)中時(shí),預(yù)瞄距離補(bǔ)償量正中。

表一模糊規(guī)則表

步驟五:基于圖6迭代控制器結(jié)構(gòu)示意圖,設(shè)計(jì)開環(huán)學(xué)習(xí)律。步驟如下:

圖中所示被控對象包含下層滑??刂破骱蛙囕v動(dòng)力學(xué)模型。車輛實(shí)際行駛方向和參考路徑預(yù)瞄點(diǎn)處切線方向的方向誤差為開環(huán)學(xué)習(xí)律的輸入。開環(huán)學(xué)習(xí)律當(dāng)前時(shí)刻得出的結(jié)果與上一時(shí)刻得出的結(jié)果相加發(fā)送至存儲器儲存。同時(shí)傳送至被控對象。

以消除方向誤差為控制目標(biāo)。設(shè)計(jì)開環(huán)pid迭代學(xué)習(xí)律,預(yù)瞄距離補(bǔ)償量可表示為:

式中:kp、kd、ki分別為比例、微分、積分系數(shù),εk(t)為當(dāng)前時(shí)刻方向誤差。

步驟六:自適應(yīng)預(yù)瞄距離計(jì)算方法為:將初始預(yù)瞄距離l′=0.5vx與預(yù)瞄距離補(bǔ)償量δl1、δl2累加得:

在本說明書的描述中,參考術(shù)語“一個(gè)實(shí)施例”、“一些實(shí)施例”、“示意性實(shí)施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例或示例中。在本說明書中,對上述術(shù)語的示意性表述不一定指的是相同的實(shí)施例或示例。而且,描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任何的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例,本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解:在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可以對這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型,本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求及其等同物限定。

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