本發(fā)明涉及車道保持方法技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于vedyna車道保持方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著經(jīng)濟(jì)和交通事業(yè)的不斷發(fā)展，汽車已經(jīng)成為人們不可或缺的交通工具。但隨著汽車使用率的不斷提高，交通事故率也呈現(xiàn)出逐年上升的趨勢。據(jù)統(tǒng)計，在所有機(jī)動車事故中，由于車道偏離而造成的交通事故占所有交通事故的百分之二十，更嚴(yán)重的是，由于車道偏離而引起的交通事故死亡率占所有交通死亡率的百分之三十七。從這一數(shù)據(jù)可以看出，車道偏離事故已經(jīng)嚴(yán)重影響了人們的生命財產(chǎn)安全。因此，近年來國內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)。

在新一代的車道保持開發(fā)過程中，模型與仿真是重點(diǎn)，同時在控制器軟件模型開發(fā)成型后，為了驗證和改進(jìn)控制策略設(shè)計的全面性，對車道保持系統(tǒng)研發(fā)需要進(jìn)行大量的試驗，最好的方法是通過實車，以發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的問題和不足，但很多實驗存在很大的風(fēng)險無法在原機(jī)上進(jìn)行實驗。需要找其他方式代替，由此提出了硬件在環(huán)仿真。在車道保持系統(tǒng)開發(fā)過程中同樣需要采用硬件在環(huán)的方式測試系統(tǒng)的可行性、安全性和穩(wěn)定性。

目前硬件在環(huán)仿真平臺的開發(fā)，大體依靠國外大的電氣軟件等公司開發(fā)出來的專業(yè)的仿真工具基礎(chǔ)上進(jìn)行的開發(fā)，如美國ni公司的labview軟件就有其硬件在環(huán)仿真軟件包，配合其公司的數(shù)采卡、can卡便可以完成相應(yīng)的硬件在環(huán)測試工作，又如mathworks公司開發(fā)的非常普及的軟件matlab，其中也有關(guān)于仿真的軟件包simulink，rtw以及xpc等等，這些基本依靠大型的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。硬件在環(huán)仿真平臺由國外大的電氣軟件等公司開發(fā)出來的專業(yè)的仿真工具基礎(chǔ)上開發(fā)的試驗臺，雖然精準(zhǔn)和穩(wěn)定可靠，但是居高不下的價格和臃腫厚重的外形，使其實用性大大減低。硬件仿真平臺不僅需要滿足精度的要求，又要綜合考慮成本問題。這些硬件在環(huán)仿真平臺都存在一個問題，需要的很高成本且外形比較復(fù)雜。

基于上述原因開發(fā)一種車道保持硬件在環(huán)平臺成為一種迫切需求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

基于背景技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提出了基于vedyna車道保持方法及系統(tǒng)。

本發(fā)明提出的基于vedyna車道保持方法，包括以下步驟：

s1、獲取預(yù)瞄點(diǎn)處的車輛橫向位置偏差信息；

s2、根據(jù)橫向位置偏差信息與車輛行駛信息計算車輛跟蹤目標(biāo)車道的期望轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角；

s3、獲取車輛實際轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信息，并結(jié)合期望轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角與實際轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角計算輔助轉(zhuǎn)矩；

s4、根據(jù)輔助轉(zhuǎn)矩信息校正轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角。

優(yōu)選地，步驟s1具體包括：

獲取車輛當(dāng)前車速vx、預(yù)瞄時間tp，計算出預(yù)瞄距離x，x＝vx·tp；

獲取車輛質(zhì)心坐標(biāo)(x,y)、航向角ψ，計算出預(yù)瞄點(diǎn)坐標(biāo)(xp,yp)，其中，xp＝x+xcosψ，yp＝y(tǒng)+xsinψ；

獲取預(yù)瞄點(diǎn)與車道中心線的距離d，計算出預(yù)瞄點(diǎn)處的車輛橫向位置偏差信息f，δf＝d/cosδψ，其中，δψ＝arcsin(d/x)。

優(yōu)選地，步驟s2具體包括：

根據(jù)公式計算車輛跟蹤目標(biāo)車道的期望轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角所述公式為：

其中，為期望轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角，δf為車輛橫向位置偏差，vx為車輛當(dāng)前車速，β為車輛質(zhì)心側(cè)偏角，tp為預(yù)瞄時間，gω為車輛橫擺角速度對轉(zhuǎn)向盤的穩(wěn)態(tài)增益。

優(yōu)選地，步驟s3具體包括：

結(jié)合車輛實際轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角δ與期望轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角計算出轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角偏差e(t)，再利用下述公式計算有刷電機(jī)跟蹤轉(zhuǎn)角時施加的輔助轉(zhuǎn)矩u(t)，所述公式為：

其中，kp為第一經(jīng)驗值，ki為第二經(jīng)驗值，kd為第三經(jīng)驗值。。

優(yōu)選地，步驟s4具體包括：

根據(jù)輔助轉(zhuǎn)矩u(t)和占空比擬合關(guān)系計算出pwm信號；

其中，pwm＝(u(t)+20)/40；

電機(jī)根據(jù)上述pwm信號帶動轉(zhuǎn)向盤管柱轉(zhuǎn)動以校正轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角。

本發(fā)明提出的基于vedyna車道保持系統(tǒng)，包括：

信息獲取模塊，用于獲取預(yù)瞄點(diǎn)處的車輛橫向位置偏差信息；

轉(zhuǎn)角計算模塊，用于根據(jù)橫向位置偏差信息與車輛行駛信息計算車輛跟蹤目標(biāo)車道的期望轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角；

轉(zhuǎn)矩計算模塊，用于獲取車輛實際轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信息，并結(jié)合期望轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角與實際轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角計算輔助轉(zhuǎn)矩；

轉(zhuǎn)角校正模塊，用于根據(jù)輔助轉(zhuǎn)矩信息校正轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角。

優(yōu)選地，信息獲取模塊具體用于：

獲取車輛當(dāng)前車速vx、預(yù)瞄時間tp，計算出預(yù)瞄距離x，x＝vx·tp；

獲取車輛質(zhì)心坐標(biāo)(x,y)、航向角ψ，計算出預(yù)瞄點(diǎn)坐標(biāo)(xp,yp)，其中，xp＝x+xcosψ，yp＝y(tǒng)+xsinψ；

獲取預(yù)瞄點(diǎn)與車道中心線的距離d，計算出預(yù)瞄點(diǎn)處的車輛橫向位置偏差信息f，δf＝d/cosδψ，其中，δψ＝arcsin(d/x)。

優(yōu)選地，轉(zhuǎn)角計算模塊具體用于：

根據(jù)公式計算車輛跟蹤目標(biāo)車道的期望轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角所述公式為：

其中，為期望轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角，δf為車輛橫向位置偏差，vx為車輛當(dāng)前車速，β為車輛質(zhì)心側(cè)偏角，tp為預(yù)瞄時間，gω為車輛橫擺角速度對轉(zhuǎn)向盤的穩(wěn)態(tài)增益。

優(yōu)選地，轉(zhuǎn)矩計算模塊具體用于：

結(jié)合車輛實際轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角δ與期望轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角計算出轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角偏差e(t)，再利用下述公式計算有刷電機(jī)跟蹤轉(zhuǎn)角時施加的輔助轉(zhuǎn)矩u(t)，所述公式為：

其中，kp為第一經(jīng)驗值，ki為第二經(jīng)驗值，kd為第三經(jīng)驗值。

優(yōu)選地，轉(zhuǎn)角校正模塊具體用于：

根據(jù)輔助轉(zhuǎn)矩u(t)和占空比擬合關(guān)系計算出pwm信號；

其中，pwm＝(u(t)+20)/40；

電機(jī)根據(jù)上述pwm信號帶動轉(zhuǎn)向盤管柱轉(zhuǎn)動以校正轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角。

本發(fā)明提出的車道保持方法和系統(tǒng)，通過vedyna軟件搭建平臺虛擬整車模型和仿真環(huán)境來模擬真實汽車和行駛工況，并完成整車模型實時硬件在環(huán)仿真，對車輛實際行駛狀態(tài)進(jìn)行分析和處理，從而根據(jù)分析結(jié)果來為駕駛員提供適合的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角，從而控制轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角實時跟蹤車輛車道中心線行駛。具體地，本發(fā)明首先根據(jù)車輛橫向位置偏差信息以及車輛的實際行駛信息計算出車輛跟蹤目標(biāo)車道的期望轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角，然后再結(jié)合車輛在實際行駛過程中的實際轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信息計算出輔助轉(zhuǎn)矩，最后控制器對輔助轉(zhuǎn)矩信息進(jìn)行轉(zhuǎn)化并將轉(zhuǎn)化后的轉(zhuǎn)角力度信息下發(fā)至轉(zhuǎn)向盤管柱以校正轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角，使得車輛能夠?qū)崟r跟蹤車輛車道中心線行駛，實現(xiàn)車輛在行駛過程中的車道保持。本發(fā)明可針對不同的復(fù)雜路徑進(jìn)行路徑跟蹤，保證了路徑跟蹤精度，且本發(fā)明的控制算法的魯棒性能好，能夠有效地抑制汽車模型不確定性、執(zhí)行機(jī)構(gòu)時滯和輪胎力非線性的影響，充分提高車道跟蹤和保持的效果和精度。

附圖說明

圖1為一種基于vedyna車道保持方法的步驟示意圖；

圖2為一種基于vedyna車道保持系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為一種基于vedyna車道保持方法及系統(tǒng)的硬件在環(huán)仿真平臺的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

如圖1-圖3所示，圖1-圖3為本發(fā)明提出的一種基于vedyna車道保持方法及系統(tǒng)。

參照圖1、圖2，本發(fā)明提出的基于vedyna車道保持方法，包括以下步驟：

s1、獲取預(yù)瞄點(diǎn)處的車輛橫向位置偏差信息；

本實施方式中，s1具體包括：

獲取車輛當(dāng)前車速vx、預(yù)瞄時間tp，計算出預(yù)瞄距離x，x＝vx·tp；

獲取車輛質(zhì)心坐標(biāo)(x,y)、航向角ψ，計算出預(yù)瞄點(diǎn)坐標(biāo)(xp,yp)，其中，xp＝x+xcosψ，yp＝y(tǒng)+xsinψ；

獲取預(yù)瞄點(diǎn)與車道中心線的距離d，計算出預(yù)瞄點(diǎn)處的車輛橫向位置偏差信息f，δf＝d/cosδψ，其中，δψ＝arcsin(d/x)。

s2、根據(jù)橫向位置偏差信息與車輛行駛信息計算車輛跟蹤目標(biāo)車道的期望轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角；

步驟s2具體包括：

根據(jù)公式計算車輛跟蹤目標(biāo)車道的期望轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角所述公式為：

其中，為期望轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角，δf為車輛橫向位置偏差，vx為車輛當(dāng)前車速，β為車輛質(zhì)心側(cè)偏角，tp為預(yù)瞄時間，gω為車輛橫擺角速度對轉(zhuǎn)向盤的穩(wěn)態(tài)增益。

s3、獲取車輛實際轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信息，并結(jié)合期望轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角與實際轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角計算輔助轉(zhuǎn)矩；

步驟s3具體包括：

結(jié)合車輛實際轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角δ與期望轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角計算出轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角偏差e(t)，再利用下述公式計算有刷電機(jī)跟蹤轉(zhuǎn)角時施加的輔助轉(zhuǎn)矩u(t)，所述公式為：

其中，kp為第一經(jīng)驗值，ki為第二經(jīng)驗值，kd為第三經(jīng)驗值，上述三個值為多次試驗得出的較佳值，在本實施方式中，kp＝0.007，ki＝0，kd＝0.0001。

s4、根據(jù)輔助轉(zhuǎn)矩信息校正轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角，在實際使用過程中，首先根據(jù)輔助轉(zhuǎn)矩u(t)和占空比擬合關(guān)系計算出pwm信號，然后電機(jī)根據(jù)上述pwm信號帶動轉(zhuǎn)向盤管柱轉(zhuǎn)動以校正轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角；

其中，pwm＝(u(t)+20)/40。

參照圖2、圖3，圖2、圖3為本發(fā)明提出的一種基于vedyna車道保持系統(tǒng)，包括：

信息獲取模塊，用于獲取預(yù)瞄點(diǎn)處的車輛橫向位置偏差信息；

信息獲取模塊具體用于：

獲取車輛當(dāng)前車速vx、預(yù)瞄時間tp，計算出預(yù)瞄距離x，x＝vx·tp；

獲取車輛質(zhì)心坐標(biāo)(x,y)、航向角ψ，計算出預(yù)瞄點(diǎn)坐標(biāo)(xp,yp)，其中，xp＝x+xcosψ，yp＝y(tǒng)+xsinψ；

獲取預(yù)瞄點(diǎn)與車道中心線的距離d，計算出預(yù)瞄點(diǎn)處的車輛橫向位置偏差信息f，δf＝d/cosδψ，其中，δψ＝arcsin(d/x)。

轉(zhuǎn)角計算模塊，用于根據(jù)橫向位置偏差信息與車輛行駛信息計算車輛跟蹤目標(biāo)車道的期望轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角；

轉(zhuǎn)角計算模塊具體用于：

根據(jù)公式計算車輛跟蹤目標(biāo)車道的期望轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角所述公式為：

其中，為期望轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角，δf為車輛橫向位置偏差，vx為車輛當(dāng)前車速，β為車輛質(zhì)心側(cè)偏角，tp為預(yù)瞄時間，gω為車輛橫擺角速度對轉(zhuǎn)向盤的穩(wěn)態(tài)增益。

轉(zhuǎn)矩計算模塊，用于獲取車輛實際轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信息，并結(jié)合期望轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角與實際轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角計算輔助轉(zhuǎn)矩；

轉(zhuǎn)矩計算模塊具體用于：

結(jié)合車輛實際轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角δ與期望轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角計算出轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角偏差e(t)，再利用下述公式計算有刷電機(jī)跟蹤轉(zhuǎn)角時施加的輔助轉(zhuǎn)矩u(t)，所述公式為：

其中，kp為第一經(jīng)驗值，ki為第二經(jīng)驗值，kd為第三經(jīng)驗值，上述三個值為多次試驗得出的較佳值，在本實施方式中，kp＝0.007，ki＝0，kd＝0.0001。

轉(zhuǎn)角校正模塊，用于根據(jù)輔助轉(zhuǎn)矩信息校正轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角。

轉(zhuǎn)角校正模塊具體用于：

根據(jù)輔助轉(zhuǎn)矩u(t)和占空比擬合關(guān)系計算出pwm信號；

其中，pwm＝(u(t)+20)/40；

電機(jī)根據(jù)上述pwm信號帶動轉(zhuǎn)向盤管柱轉(zhuǎn)動以校正轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角。

在具體實施例中，首先基于vedyna建立硬件在環(huán)仿真平臺，然后在上述仿真平臺上進(jìn)行車輛車道保持模擬；具體地：

建立車輛-道路模型；

根據(jù)車輛-道路模型獲取預(yù)瞄點(diǎn)處的車輛橫向位置偏差信息；

根據(jù)橫向位置偏差信息與車輛車速信息、車輛橫擺角速度信息、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信息，由主動轉(zhuǎn)向控制算法計算出車輛跟蹤目標(biāo)車道的期望轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角；

將輔助轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化后的占空比信號發(fā)送至電機(jī)控制器，控制電機(jī)帶動轉(zhuǎn)向盤管柱進(jìn)行轉(zhuǎn)向以校正轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角。

本實施方式提出的基于vedyna車道保持硬件在環(huán)仿真平臺，通過整車模型和虛擬仿真環(huán)境來模擬真實汽車和行駛工況，并實時完成整車模型實時硬件在環(huán)仿真，根據(jù)汽車行駛狀態(tài)參數(shù)給駕駛員提供合適的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角，使車輛能夠保持在車道中心線附近行駛。

進(jìn)一步地，本實施方式中，路徑跟蹤控制算法選用基于軌跡預(yù)測的駕駛員轉(zhuǎn)向模型，該模型認(rèn)為駕駛員決策出的轉(zhuǎn)向角度由兩部分組成，分別為駕駛員根據(jù)駕駛經(jīng)驗決策出的期望轉(zhuǎn)角以及駕駛員根據(jù)汽車實際狀態(tài)增加的修正轉(zhuǎn)角。該路徑跟蹤控制算法先決策出理想轉(zhuǎn)角，再根據(jù)獲取的汽車狀態(tài)校正轉(zhuǎn)角。本實施方式設(shè)計的路徑跟蹤控制方法結(jié)構(gòu)簡單，所需信號方便獲取，算法易于實現(xiàn)，針對直線道路、圓形道路、回旋線道路以及各種復(fù)雜路徑都具有較好的路徑跟蹤精度，且控制算法魯棒性能好，能夠有效的抑制汽車模型不確定性、執(zhí)行機(jī)構(gòu)時滯和輪胎力非線性的影響。

在本實施例中，伺服電機(jī)用作模擬轉(zhuǎn)向阻力裝置，伺服電機(jī)控制器設(shè)定為力矩控制模式。實時系統(tǒng)通過運(yùn)行整車模型計算出實時的轉(zhuǎn)向阻力信號，最終由接口系統(tǒng)將轉(zhuǎn)向阻力信號發(fā)送到伺服電機(jī)控制器，由伺服電機(jī)控制器控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動，最終通過與萬向節(jié)連接驅(qū)動轉(zhuǎn)向管柱轉(zhuǎn)動模擬轉(zhuǎn)向阻力。在車道保持硬件在環(huán)仿真平臺具體的工作過程中，操作人員通過轉(zhuǎn)向盤發(fā)出駕駛員意圖控制指令，模擬車輛行駛情況。在轉(zhuǎn)向盤的具體設(shè)計中，將轉(zhuǎn)向盤安裝在轉(zhuǎn)向柱轉(zhuǎn)角傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器均設(shè)置在轉(zhuǎn)向柱上，提高模擬的真實性。

本實施例中，所述硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)采用vedyna軟件和labview軟件建立聯(lián)合仿真模型，其中vedyna軟件根據(jù)虛功原理建立整車模型和模擬的駕駛環(huán)境，基于simulink與vedyna聯(lián)合仿真環(huán)境，建立整車實時仿真模型，包括在simulink中建立的轉(zhuǎn)向系、制動系、動力傳動系和15自由度車輛動力學(xué)模型，以及在vedyna中建立的車輪、輪胎、懸架與其它底盤部件模型等；labview軟件用于編寫信號處理程序。

本實施方式提出的車道保持方法和系統(tǒng)，通過vedyna軟件搭建平臺虛擬整車模型和仿真環(huán)境來模擬真實汽車和行駛工況，并完成整車模型實時硬件在環(huán)仿真，對車輛實際行駛狀態(tài)進(jìn)行分析和處理，從而根據(jù)分析結(jié)果來為駕駛員提供適合的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角，從而控制轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角實時跟蹤車輛車道中心線行駛。具體地，本實施方式首先根據(jù)車輛橫向位置偏差信息以及車輛的實際行駛信息計算出車輛跟蹤目標(biāo)車道的期望轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角，然后再結(jié)合車輛在實際行駛過程中的實際轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信息計算出輔助轉(zhuǎn)矩，最后控制器對輔助轉(zhuǎn)矩信息進(jìn)行轉(zhuǎn)化并將轉(zhuǎn)化后的轉(zhuǎn)角力度信息下發(fā)至轉(zhuǎn)向盤管柱以校正轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角，使得車輛能夠?qū)崟r跟蹤車輛車道中心線行駛，實現(xiàn)車輛在行駛過程中的車道保持。本實施方式可針對不同的復(fù)雜路徑進(jìn)行路徑跟蹤，保證了路徑跟蹤精度，且本發(fā)明的控制算法的魯棒性能好，能夠有效地抑制汽車模型不確定性、執(zhí)行機(jī)構(gòu)時滯和輪胎力非線性的影響，充分提高車道跟蹤和保持的效果和精度。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。