大曲率弯道情况下考虑驾驶员的二阶动态权限转移方法与流程

1.本方案属于智能驾驶技术领域，涉及一种大曲率弯道情况下考虑驾驶员的二阶动态权限转移方法。


背景技术：

2.由于交通场景本身具有复杂性、动态性，智能汽车驾驶技术存在潜在法律、伦理问题，l4-l5级别的全工况自动驾驶在当前条件下难以完成商业推广应用，目前工业界主流技术集中在l2-l3级别的辅助驾驶，车辆需要根据特定场景和需求进行车辆驾驶权限的转移。
3.现有研究表明，针对于具有高驾驶水平的驾驶员，部分该类型的驾驶员期望在复杂路段掌控车辆驾驶主导权以维护对自身驾驶尊严的认同，这部分驾驶员旨在通过复杂路段的驾驶来实现对自我表达的构建。针对这种情况，如果辅助驾驶系统不能及时平稳的将车辆控制权过渡到驾驶员，就可能引发驾驶员与辅助驾驶系统之间的冲突，进而影响道路交通安全，违背辅助驾驶系统设计的初衷。
4.针对当前主流的l2-l3级别辅助驾驶系统，其采用的权限转移还集中于简单的采用阶跃式或渐进式转移过程，这种权限转移方式能够快速有效的完成权限转移，但存在转移过程平顺性不足，不能准确对接驾驶员的转向状况，无法满足驾驶员差异化的权限转移过程需要等问题。以上问题可能会在权限转移过程中引发一定的人机冲突，进而产生不稳定的转向操作行为，影响车辆正常行驶。因此，需要一种能够结合驾驶员转向状态和弯曲道路情况，在较低经济成本的基础上实现权限转移动态调节的权限转移策略。


技术实现要素：

5.本方案提出了一种大曲率弯道情况下考虑驾驶员的二阶动态权限转移方法，利用驾驶员转向行为的实时数据结合车速以及道路曲率数据实现由辅助驾驶系统到驾驶员之间整体平顺、动态时变的车辆驾驶权限转移过程，满足高水平驾驶能力驾驶员主导车辆穿越大曲率弯道路径的需求。在低经济成本的基础上，减小权限转移过程中车辆的横向偏差，提升车辆行驶的平顺性。
6.一种大曲率弯道情况下考虑驾驶员的二阶动态权限转移方法，该方法包括：
7.车辆由直道进入弯道过程中，若获取到辅助系统至驾驶员的权限转移需求，首先通过二阶动态权限转移策略将驾驶权限转移至驾驶员，直至权限转移量达到设定比例，转为线性化权限转移，直至全部权限转移至驾驶员；
8.所述的二阶动态权限转移策略通过质量-弹簧-阻尼系统类比描述权限转移过程，在权限转移过程中，辅助系统被视为等效弹簧，作为储权限元件不断释放权限，驾驶员被视为等效阻尼，作为耗权限元件逐渐接收权限直至权限转移量达到设定比例，以此构建二阶动态权限转移过程的基础模型；
9.道路曲率、车速被引入至所述的基础模型；
10.驾驶员的转向行为被用于构建二阶动态权限转移过程的直接影响模型；
11.驾驶员的操纵行为被用于构建二阶动态权限转移过程的间接影响模型。
12.在上述的大曲率弯道情况下考虑驾驶员的二阶动态权限转移方法中，依据驾驶员的转向行为，结合驾驶员预瞄模型构建所述的直接影响模型。
13.在上述的大曲率弯道情况下考虑驾驶员的二阶动态权限转移方法中，依据方向盘转角、方向盘转角速度构建所述的间接影响模型。
14.在上述的大曲率弯道情况下考虑驾驶员的二阶动态权限转移方法中，二阶动态权限转移策略中，辅助系统被视为等效弹簧，驾驶员视被视为等效阻尼的基础模型被表示为：
[0015][0016]
其中m表示等效质量，此处为车身质量，b为动态的等效阻尼系数，k为动态的等效弹簧系数，λ为当前辅助系统的权限，表示λ的一阶导数；表示λ的二阶导数。
[0017]
在上述的大曲率弯道情况下考虑驾驶员的二阶动态权限转移方法中，道路曲率、车速通过以下方式被引入至所述的基础模型：
[0018][0019]
为二阶动态权限转移系统的固有频率，通过道路曲率半径r和车辆纵向速度v
x
表示，其中a1为可调参数，由于等效质量m已知，可得等效弹簧系数初始值k0，根据临界阻尼系统的定义b0＝2mqm得到等效阻尼系数初始值b0。
[0020]
在上述的大曲率弯道情况下考虑驾驶员的二阶动态权限转移方法中，所述的直接影响模型的特征为：
[0021][0022]
其中χ代表权限转移受驾驶员操纵行为的直接影响程度，rg为车辆转向系的传动比，δ
fd
为根据驾驶员预瞄模型进行计算的车辆前轮转角，用于表征不同驾驶员的转向行为差异。驾驶员预瞄模型是一个可靠的现有模型，此处不再对此详细说明。
[0023]
在上述的大曲率弯道情况下考虑驾驶员的二阶动态权限转移方法中，所述的间接影响模型的特征为：
[0024][0025]qs
表征驾驶员的权限转移抵触程度，q
sr
表征驾驶员的权限转移适应程度，θ
sw
为方向盘转角，为方向盘转角θ
sw
导数的平方，a
2,1
，a
2,2
和a3为可调参数。
[0026]
在上述的大曲率弯道情况下考虑驾驶员的二阶动态权限转移方法中，线性化权限
转移策略为：
[0027][0028]
表示线性策略过程中的权限，～用于和二阶系统中的权限进行一个区分。
[0029]
在上述的大曲率弯道情况下考虑驾驶员的二阶动态权限转移方法中，二阶动态权限转移策略如下：
[0030][0031]
ρr为道路曲率，x
dp
为驾驶员状态量，td和t
p
为驾驶员的预瞄时间和反应时间，a0为与驾驶员反应时间有关的常数，c
lfn
为车辆在近点和远点处预瞄距离的比值，，k
p
为预期的转向比例增益，kc为针对路面曲率的补偿转向比，τ
l
为微分时间常数，e
ψl
为车辆航向偏差，e
l
为车辆横向偏差。
[0032]
在上述的大曲率弯道情况下考虑驾驶员的二阶动态权限转移方法中，本方法结合二阶动态权限转移和线性化权限转移的综合策略如下：
[0033][0034]
ρr为道路曲率，x
dp
为驾驶员状态量，td和t
p
为驾驶员的预瞄时间和反应时间，a0为与驾驶员反应时间有关的常数，c
lfn
＝0.4，为车辆在近点和远点处预瞄距离的比值，k
p
为预期的转向比例增益，kc为针对路面曲率的补偿转向比，τ
l
为微分时间常数，e
ψl
为车辆航向偏
差，e
l
为车辆横向偏差。
[0035]
本方案的优点在于：
[0036]
1)由于采用驾驶员的转向行为、车速以及道路曲率信息结合设计权限转移策略，使得权限转移策略能够匹配驾驶员的实际驾驶情况进行动态调整，更加符合驾驶员的实际需求，权限转移策略的适用性得到了极大的提高。
[0037]
2)本方案利用的驾驶员的转向行为、车速以及道路曲率信息均为车辆自带的传感器易得数据，大幅降低了权限转移策略的实际应用成本，在未来辅助驾驶系统中具备广泛的应用前景和实用性。
[0038]
3)本方案通过类比二阶系统推理得到，所提出的权限转移策略结构简单、泛用性好，可以便捷地应用到不同类型的辅助驾驶系统中。
附图说明
[0039]
图1为本发明二阶动态权限转移系统结构示意图；
[0040]
图2为本发明二阶动态权限转移系统应用场景的示意图；
[0041]
图3-1为仿真试验不同权限转移策略下车辆的横向偏差对比图；
[0042]
图3-2为仿真试验不同权限转移策略下车辆的航向偏差对比图；
[0043]
图3-3为仿真试验不同权限转移策略下车辆的前轮转向角对比图；
[0044]
图3-4为仿真试验不同权限转移策略下车辆横摆角速度对比图；
[0045]
图4-1为驾驶员在环试验不同权限转移策略下车辆的横向偏差对比图；
[0046]
图4-2为驾驶员在环试验不同权限转移策略下车辆的航向偏差对比图；
[0047]
图4-3为驾驶员在环试验不同权限转移策略下车辆的横摆角速度对比图。
具体实施方式
[0048]
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细说明。
[0049]
本发明提出了一种大曲率弯道情况下考虑驾驶员的二阶动态权限转移策略设计方法，用来实现大曲率弯道路况下车辆控制权限由车辆实时动态地向驾驶员转移。本发明针对高水平驾驶能力驾驶员主导车辆穿越大曲率弯道路径的需求，采用二阶系统实现实时动态的权限转移过程，利用车辆常规配置的传感器，以较低的经济成本实现针对驾驶员、车辆、道路情况实时动态调整的权限转移过程，提高权限转移过程中车辆行驶的平顺性和车辆的路径跟踪精度，进而改善高水平驾驶员的驾驶体验。
[0050]
本方案采用了二阶系统作为权限转移策略的主要结构，在本方案考虑的场景下，辅助系统在初始状态保有车辆驾驶的全部权限，在驾驶员发起权限转移需求后，实时动态调整地将车辆行驶权限转移至驾驶员，同时为了防止产生超调，配合线性转移策略，在最后一定比例由线性转移策略进行转移，直至车辆完全由驾驶员操控行驶。发起权限转移需求的方式以及系统如何检测或获取该需求不在本方案范围内，不对此进行说明，本方案可以用于解决任意一种方式发起转移需求后的权限转移问题。由于车辆控制权限转移是单向衰减且不断调整的，所以可以通过质量-弹簧-阻尼系统进行类比扩展实现权限转移过程的模型化描述，在本系统模型中，将车身质量作为系统的等效质量，权限转移的起始点视为系统能量峰值，权限转移的终点则为系统的平衡点。因此，如图1所示，在权限转移过程中，辅助
系统可以视为等效弹簧，作为储权限元件不断释放权限，而驾驶员则视为等效阻尼，作为耗权限元件逐渐接收权限，当消耗完辅助系统的所有权限后，车辆权限转移至驾驶员，系统对应回到平衡点。
[0051]
二阶动态权限转移策略对应的基础形式如下：
[0052][0053]
其中m为等效质量，b为等效阻尼系数，k为等效弹簧系数，这两个系数是一个动态值，λ为当前辅助系统的权限(取值：[0，1])，在整个权限转移过程中，将车辆行驶权限转移至驾驶员，就是一个λ由1不断减小至0的过程。
[0054]
本方案考虑到二阶系统的动态特性，使二阶动态权限转移策略根据驾驶情况进行动态变化，将权限转移过程与道路曲率、车速以及驾驶员转向状态建立关系，具体如下：
[0055]
以道路曲率半径和车辆纵向速度表示二阶动态权限转移系统的固有频率qm，其中a1为可调参数，由技术人员根据实际情况确定，如可以确定为2，具体不在此限制。r为曲率半径，由于采用车身质量m为车身质量，可以得到该系统的等效弹簧系数初始值k0，根据临界阻尼系统的定义推导得到等效阻尼系数初始值b0如下：
[0056][0057]
同时，本方案为了实现权限转移的动态实时变化，增加权限转移过程中对驾驶员转向特性的理解，将驾驶员的转角信息作为特性引入到二阶动态权限转移策略的设计中，将转向行为分别以直接与间接的形式引入到二阶动态权限转移的设计过程中。
[0058]
直接调整部分反映驾驶员的权限转移风格：
[0059][0060]
其中χ代表权限转移受驾驶员操纵行为的直接影响程度，是一个经验系数，由技术人员事先设定，rg为车辆转向系的传动比，δ
fd
为车辆前轮转角，根据双点预瞄驾驶员模型参数进行计算，用于表征不同驾驶员的转向行为差异。
[0061]
间接调整通过调整等效弹簧系数和阻尼系数来实现对权限转移过程的进一步动态调整，两项系数根据驾驶员的操纵参与程度进行实时调整，针对于方向盘转角θ
sw
大小，qs用来表征驾驶员的权限转移抵触程度。即在道路曲率一定的情况下，越大的方向盘转角对应越小的驾驶员权限转移抵触程度，a
2,1
和a
2,2
为可调参数，均由技术人员根据具体情况确定，如可以确定为a
2，1
＝5，a
2，2
＝10，具体不在此限制：
[0062][0063]
方向盘转角速度反映了驾驶员转向的剧烈程度，当熟练驾驶员在大曲率弯道上稳定驾驶时，方向盘的转角速度应趋于平缓。q
sr
用来表征驾驶员的权限转移适应程度，即在道路曲率一定的情况下，越大的方向盘转角速度对应越差的驾驶员权限转移适应状态，其中
a3为可调参数，由技术人员根据具体情况确定，如可以确定a3＝5：
[0064][0065]
当权限转移完成设定比例时二阶动态权限转移完成，随后转为线性权限转移过程实现，从而提升权限转移的平滑程度。设定比例由技术人员根据实际情况确定，如可以取95％，具体不在此限制。
[0066]
因此，本方案提出的考虑驾驶员的二阶动态权限转移策略可以通过如下的状态空间方程表示：
[0067][0068]
式中ρr为道路曲率，等于曲率半径r的倒数，x
dp
为驾驶员状态量，是一个过程量，基于其他参数通过状态空间方程(6)推导得到，td和t
p
为驾驶员的预瞄时间和反应时间，其的取值可参考现有研究的一些参数，如可以取td＝0.14，tp＝1.2，a0为与驾驶员反应时间有关的常数，c
lfn
＝0.4为车辆在近点和远点处预瞄距离的比值，k
p
为预期的转向比例增益，kc为针对路面曲率的补偿转向比，τ
l
为微分时间常数，e
ψl
为车辆航向偏差，e
l
为车辆横向偏差。公式中使用到的一些设定值或参数等均由本领域技术人员根据实际情况或已有研究确定，具体不在此限制，如c
lfn
可以取0.4，k
p
可以取3.1，kc可以取2.8等等。
[0069]
后续的线性权限转移策略设计如下所示：
[0070][0071]
表示线性策略过程中的权限，～用于和二阶系统中的权限进行一个区分。
[0072]
应用场景示例如图2所示，所搭建的基本场景为直道和u-turn道路结合，在直线行驶阶段，车辆的控制权限由辅助驾驶系统主导。在车辆驶入弯道后，基于驾驶员主导的需求进行权限转移，将车辆的行驶主导权限转移至驾驶员，由驾驶员完成行驶任务。弯道为权限转移的起始点，通过本发明所设计的考虑驾驶员的考虑驾驶员的二阶动态权限转移策略将驾驶权限转移至驾驶员，实现针对驾驶情况和驾驶场景实时动态调整的驾驶权限转移过程的权限转移方案，增强权限转移过程的平顺性和驾驶员的驾驶体验。
[0073]
为了证明本方案的可行性和相对于现有技术转移策略的优势，下面对几个不同策略进行仿真对比。
[0074]
图3-1～3-4是基于matlab/simulink-carsim联合仿真环境，在曲率为0.01为的大曲率路况下，阶跃转移策略，渐近转移策略和本方案转移策略实现权限转移的各参数对比图。
[0075]
从各图可以看到，在驶入大曲率弯道(曲率半径＝100m)时，控制权限由自动控制器转移到驾驶员。
[0076]
从图3-1中可以观察到，相比阶跃转移相比，采用二阶动态转移在转移开始时刻拥有更小的横向偏差，说明在进入弯道时刻开始，二阶动态转移策略能够利用鲁棒路径跟踪控制器的引导车辆行驶并逐步将权限转移至人类驾驶员，在权限转移过程中减小车辆的横向偏差。与渐进转移相比，二阶动态转移策略能够更快满足人类驾驶员的主导驾驶需求，更加贴近驾驶员的实际需要。因此，二阶动态转移策略能够实现权限转移过程中自动控制器对驾驶员的引导，减小转移初始时刻的横向偏差，同时快速满足驾驶员主导驾驶的需求。
[0077]
从图3-2中可以观察到，与阶跃转移相比，二阶动态转移策略具有更小的航向偏差，说明车辆更加贴近期望的横摆角。将二阶动态转移策略与渐进转移相比，航向偏差的变化更加平稳，说明车辆在二阶动态转移策略权限转移过程中行驶更加平稳。而图3-3显示，二阶动态转移策略下车辆的前轮转向角变化峰值小于阶跃转移，转向角变化平滑程度优于阶跃转移。这与图3-4中所示的车身横摆角速度趋势相同，二阶动态权限转移策略使得车辆的横摆角速度更加平滑，在权限转移开始后不存在明显的横摆角抖动。
[0078]
从以上仿真结果可以看到，所提出的二阶动态权限转移策略于其余两种策略相比在权限转移过程中更加平顺，这是因为二阶动态权限转移策略能够根据驾驶员转向行为进行实时动态的调整，而其他两种权限转移策略只能按照固定的策略转移，并存在不同程度的权限突变，进而影响车辆在权限转移过程中的行驶稳定性。因此，二阶动态转移策略能够使前轮转角在较小的变化幅度下保持平滑状态，实现了更平滑的车身横摆角速度变化，进一步地保证了车辆在权限转移过程中的稳定性。
[0079]
图4-1～图4-3展示了一位试验人员在三种权限转移策略下的车辆行驶对比结果。
[0080]
如图4-1～图4-3所示，在驶入弯道时，阶跃和渐进策略都存在小幅震荡的情况，说明驾驶员并没有完全适应权限转移过程。而所提出的二阶动态转移策略能够实现车辆平稳的弯道行驶，其横向偏差、航向偏差以及横摆角速度都保持较小值，说明车辆在二阶动态权限转移策略下权限转移时车辆能够保持平稳行驶，该转移策略更易被驾驶员接受。
[0081]
在三种不同的权限转移策略下，参与试验驾驶员对行驶过程的主观评价如表1所示，方差分析(anova)如表2所示，主观评价为驾驶员评分的形式，用来反应驾驶员在试验过程中的真实感受，采用7等级的李克特量表对权限转移过程中驾驶员的主观感受程度进行统计，其中0代表最差，6代表最佳。通过方差分析，可以发现不同的权限转移策略对试验者的主观评价影响是显著的，因此设计的二阶动态权限转移策略是有效的。试验人员的主观评价对二阶动态权限转移给出了明显更好的评价，说明参与试验的驾驶员在弯道接管车辆行驶过程中，通过二阶动态权限转移策略取得了更好的主观驾驶体验，符合二阶动态权限转移策略的设计初衷。
[0082]
表1试验者主观评价平均值
[0083][0084]
表2试验者主观评价方差(anova)分析
[0085][0086]
**:p《0.01
[0087]
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本方案精神作举例说明。本方案所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本方案的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

技术特征：
1.一种大曲率弯道情况下考虑驾驶员的二阶动态权限转移方法，其特征在于，该方法包括：车辆由直道进入弯道过程中，若获取到辅助系统至驾驶员的权限转移需求，首先通过二阶动态权限转移策略将驾驶权限转移至驾驶员，直至权限转移量达到设定比例，转为线性化权限转移，直至全部权限转移至驾驶员；所述的二阶动态权限转移策略通过质量-弹簧-阻尼系统类比描述权限转移过程，在权限转移过程中，辅助系统被视为等效弹簧，作为储权限元件不断释放权限，驾驶员被视为等效阻尼，作为耗权限元件逐渐接收权限直至权限转移量达到设定比例，以此构建二阶动态权限转移过程的基础模型；道路曲率、车速被引入至所述的基础模型；驾驶员的转向行为被用于构建二阶动态权限转移过程的直接影响模型；驾驶员的操纵行为被用于构建二阶动态权限转移过程的间接影响模型。2.根据权利要求1所述的大曲率弯道情况下考虑驾驶员的二阶动态权限转移方法，其特征在于，依据驾驶员的转向行为，结合驾驶员预瞄模型构建所述的直接影响模型。3.根据权利要求2所述的大曲率弯道情况下考虑驾驶员的二阶动态权限转移方法，其特征在于，依据方向盘转角、方向盘转角速度构建所述的间接影响模型。4.根据权利要求3所述的大曲率弯道情况下考虑驾驶员的二阶动态权限转移方法，其特征在于，二阶动态权限转移策略中，辅助系统被视为等效弹簧，驾驶员视被视为等效阻尼的基础模型被表示为：其中m表示等效质量，b为等效阻尼系数，k为等效弹簧系数，λ为当前辅助系统的权限，表示λ的一阶导数；表示λ的二阶导数。5.根据权利要求4所述的大曲率弯道情况下考虑驾驶员的二阶动态权限转移方法，其特征在于，道路曲率、车速通过以下方式被引入至所述的基础模型：特征在于，道路曲率、车速通过以下方式被引入至所述的基础模型：为二阶动态权限转移系统的固有频率，通过道路曲率半径r和车辆纵向速度v
x
表示，其中a1为可调参数，由于等效质量m已知，可得等效弹簧系数初始值k0，根据临界阻尼系统的定义b0＝2mq
m
得到等效阻尼系数初始值b0。6.根据权利要求5所述的大曲率弯道情况下考虑驾驶员的二阶动态权限转移方法，其特征在于，所述的直接影响模型的特征为：
其中χ代表权限转移受驾驶员操纵行为的直接影响程度，r
g
为车辆转向系的传动比，δ
fd
为根据驾驶员预瞄模型进行计算的车辆前轮转角，用于表征不同驾驶员的转向行为差异。7.根据权利要求6所述的大曲率弯道情况下考虑驾驶员的二阶动态权限转移方法，其特征在于，所述的间接影响模型的特征为：q
s
表征驾驶员的权限转移抵触程度，q
sr
表征驾驶员的权限转移适应程度，θ
sw
为方向盘转角，为方向盘转角θ
sw
导数的平方，a
2,1
，a
2,2
和a3为可调参数。8.根据权利要求7所述的大曲率弯道情况下考虑驾驶员的二阶动态权限转移方法，其特征在于，线性化权限转移策略为：特征在于，线性化权限转移策略为：表示线性策略过程中的权限。9.根据权利要求7所述的大曲率弯道情况下考虑驾驶员的二阶动态权限转移方法，其特征在于，二阶动态权限转移策略如下：ρ
r
为道路曲率，x
dp
为驾驶员状态量，t
d
和t
p
为驾驶员的预瞄时间和反应时间，a0为与驾驶员反应时间有关的常数，c
lfn
为车辆在近点和远点处预瞄距离的比值，k
p
为预期的转向比例增益，k
c
为针对路面曲率的补偿转向比，τ
l
为微分时间常数，e
ψl
为车辆航向偏差，e
l
为车辆横向偏差。10.根据权利要求8所述的大曲率弯道情况下考虑驾驶员的二阶动态权限转移方法，其特征在于，本方法结合二阶动态权限转移和线性化权限转移的综合策略如下：
ρ
r
为道路曲率，x
dp
为驾驶员状态量，t
d
和t
p
为驾驶员的预瞄时间和反应时间，a0为与驾驶员反应时间有关的常数，c
lfn
为车辆在近点和远点处预瞄距离的比值，k
p
为预期的转向比例增益，k
c
为针对路面曲率的补偿转向比，τ
l
为微分时间常数，e
ψl
为车辆航向偏差，e
l
为车辆横向偏差。

技术总结
本发明公开了一种大曲率弯道情况下考虑驾驶员的二阶动态人机权限转移策略设计方法，涉及智能驾驶技术领域，解决了对自身驾驶能力高度认可的驾驶员在大曲率道路行驶状况下主动接管车辆驾驶权限过程中传统权限转移策略转移过程不平顺、不能随实际驾驶情况实时动态动态调整的问题。其技术方案的要点是通过类比二阶系统，利用驾驶员转向信息、车速和道路曲率参数创新性地设计了二阶动态权限转移策略，实现实时动态可调的权限转移过程，使权限转移过程与实际需求相匹配，该权限转移方案兼顾了创新性和实用性。同时，本方案利用方向盘转角和方向盘转角速度来表征驾驶员转向信息，极大降低了权限转移策略在车辆应用的经济成本，具有广阔的商业应用前景。有广阔的商业应用前景。有广阔的商业应用前景。


技术研发人员：林中盛 陈杨阳 蔡学武 夏军 宴小波 霍泊帆 张廷义 徐可 陈锞
受保护的技术使用者：南湖实验室
技术研发日：2023.03.31
技术公布日：2023/6/28