基于人机共享和分层控制的车道偏离辅助系统

[5-7] [4]
转角。然后应用滑模观测器估计转向阻力矩，并设 计考虑驾驶员转矩和转向阻力矩的二阶滑模控制器 确定电动机辅助转矩。再经过主权分配模块切换人 机控制主权，最后由 EPS 电动机执行，实现 LDAS 的人机共享控制。
1
1.1
模型建立
车辆-道路模型 假定车辆装备车道线检测系统。 设预瞄距离 xla
[2] [1]
* 国家自然科学基金资助项目(51175135， 51375131， 51305118)。 20141120 收到初稿，20150831 收到修改稿

月 2015 年 11 月
谈东奎等：基于人机共享和分层控制的车道偏离辅助系统
[3]
99
LDAS 是对车道偏离预警系统的延伸 ，判断 车道偏离来触发辅助控制的算法主要有横越车道线 距离和横越车道线时间(Time to lane crossing, TLC) 两类。文献[1]提出基于动态 TLC 触发阈值的辅助 决策方法，利用航向角及执行机构响应时间等因素 动态确定 TLC 阈值， 但未考虑道路环境和驾驶员行 为的影响，TLC 阈值选取的过于保守会导致系统频 繁误启动 。 目前辅助控制的实现途径主要包括转向控 制
黄
230009)
鹤
(合肥工业大学机械与汽车工程学院
摘要：针对车道偏离辅助系统转向控制中的人机协同问题，提出一种人机共享的决策与控制方法。考虑驾驶员转矩、道路曲 率及纵向车速，设计模糊控制器确定虚拟车道边界宽度，再根据车轮是否超出虚拟边界进行辅助控制决策。在此基础上根据 车-路位置关系建立车辆预瞄处偏差的动态模型，设计 LPV/H∞控制器跟踪车道中心线决定期望前轮转角。应用滑模观测器估 计转向阻力矩，设计考虑驾驶员转矩和转向阻力矩的二阶滑模控制器决定辅助转矩，再由主权分配模块进一步对人机控制主 权进行分配，实现辅助系统与驾驶员之间的共享控制。在 veDYNA/Simulink 联合仿真平台上对提出的控制方法进行仿真试 验，仿真结果表明所提出方法在各种车速下均能有效避免车辆偏离车道，减少控制器对驾驶员的干预，人机冲突较小。建立 基于 veDYNA/LabVIEW 的车道偏离辅助控制系统试验台架，对该方法进行硬件在环仿真试验，其结果表明该方法能有效辅 助驾驶员通过复杂道路，获得较好地人机协调性能。 关键词：车道偏离辅助系统；共享控制；分层控制；LPV/H∞控制；滑模观测器 中图分类号：U461
第 51 卷第 22 期 2015 年 11 月
机
械
工 程
学
报
Vol.51 Nov.
No.22 2015
JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING
DOI：10.3901/JME.2015.22.098
基于人机共享和分层控制的车道偏离辅助系统*
谈东奎 陈无畏 王家恩 汪洪波
合肥
和差动制动控制
[1, 7]
[3, 8]
。
[5-6]
转向控制可分为施加额外的转向力 移 ( 线控转向 )
和角位
，前者可实现与电动助力转向
表示测量点 P 与车辆质心距离，测量点相对车道中 心线的横向偏差为 yla 。车辆-道路模型的坐标系统 如图 1 所示，定义 n - t 和 nla - tla 两个参考坐标系， 其中 t、tla 沿着车道中心线的切线方向，n、nla 为车 道法线方向。两个坐标系的原点分别位于车辆质心 和过 P 点的车道法线与车道中心线的交点。 为车 辆航向角， la 为 tla 与 X 轴夹角， R 为两个参考坐 标系之间的旋转角度。
Human-machine Sharing and Hierarchical Control Based Lane Departure Assistance System
TAN Dongkui CHEN Wuwei WANG Jiaen WANG Hongbo HUANG He
(School of Mechanical and Automotive Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009)
(Electric power steering, EPS)系统的结构共用，具有 节能和结构简单等优点，而线控转向系统要求高可 靠性且成本高。 差动制动控制依靠两侧车轮的制动力差产生 横摆力矩，实现车辆转向，但该方法会改变车辆的 转向响应，给驾驶员带来不适。 对于转向控制方法，驾驶员和辅助控制系统同 时对车辆实施横向运动控制，二者的协调性至关重 要。驾驶员与辅助系统之间的共享控制近年来引起 研究者的广泛关注 。 MULDER 等 提出触觉引导系统来实现驾驶 员和辅助系统对转向盘的共享控制，认为连续的触 LOUAY 等 觉辅助能够有效帮助驾驶员通过弯道。
VR la
同理 VR 的二阶导数
(4)
a1 xla a2 m
b2
a2 xla a3 Iz
转向系统模型 采用 EPS 电动机作为 LDAS 的执行机构， 而不
VR la
的车辆横向动力学模型为
(5)
忽略路面坡度和空气阻力的影响，文献[12]中
[10] [9] [7]
通过建立人-车-路闭环系统，定义人机交互协调指 标，设计 H2 预瞄控制器，改善了转向辅助系统的 人机协调性。SENTOUH 等
[11]
认为驾驶辅助系统在
图1 车辆-道路模型参考坐标系
产生干预时要考虑在环的驾驶员，利用驾驶员模型 估计驾驶员的意图来最小化控制器的干预，可实现 控制精度和协调性的权衡。 上述方法仅在设计控制器时考虑驾驶员操纵， 为了进一步提升人机协调性能，还需要讨论不同状 态下控制器与驾驶员谁掌握控制主权，以设计算法 进行人机控制主权切换。 针对上述两点，本文提出了一种人机共享的辅 助决策与控制方法。考虑驾驶员转矩、道路曲率及 纵向车速，设计模糊控制器选择虚拟车道边界宽度 进行辅助决策。辅助控制采用级联控制的策略：根 据车 - 路位置关系建立车辆预瞄处偏差的线性参数 变化(Linear parameter varying, LPV)动态模型， 设计 鲁棒 LPV/H∞控制器跟踪车道中心线确定期望前轮 式中
Abstract ： According to the human-machine coordination of steering control for lane departure assistance system(LDAS), a human-machine shared decision-making and control method is proposed. Accounting for the driver torque, road curvature and longitudinal speed, the virtual strip width is determined using a fuzzy controller and assistance control is based on whether the wheels are beyond the virtual strip. Then, according to the position relation between vehicle and lane, the dynamic model of vehicle lateral deviation at look-ahead point is established. The LPV/H∞ controller is designed to tracking center-line of the lane and determining the desired steering angle. A sliding mode observer with unknown inputs is designed to estimating the road reaction torque. A second-order sliding mode controller which take into account driver torque and road reaction torque is used to generate assist torque. The human-machine control authority is shifted by authority distribution module to achieve shared steering control between assistance system and driver. The proposed assistance system is evaluated in veDYNA/Simulink, simulation results showed that the proposed method can effectively avoid lane departure at different speeds, minimize controller intervention and human–machine conflict. A test platform for LDAS is established, which is based on veDYNA/LabVIEW. The proposed method is experimentally validated with driver and hardware in the loop, the result showed that this method can effectively assist the driver through the complicated lane and good results were obtained using a criterion for human-machine cooperation. Key words：lane departure assistance system；shared control；hierarchical control；LPV/H∞ control；sliding mode observer