基于安全操控边界的车辆人机远程协作的控制方法

1.本发明属于智能车辆技术领域，具体来说是一种应用于智能车辆人机远程协作的控制方法。


背景技术：

2.近年来，智能车辆技术逐步成为车辆研究的一个热点方向，并且随着智能车辆技术的不断发展，它已经成功地应用在很多领域，如：智能驾驶汽车、智能物流汽车等。但是由于当前车辆的智能化和能力仍然有限，仍然需要某种形式的人类辅助监管。特别是在当前疫情的背景下，为了避免作业人员与其他成员的密切接触，使他们远离潜在的现场危险。在这种情况下，智能车辆人机远程协作技术可以很好地解决此问题，它即可以使人保持在控制回路中，又可以避免现场的潜在危险。然而此种方式也存在局限性，在远程操作下，操作人员通过监视器观察环境，他们的视野是有限的。他们几乎感受不到车辆在远端接收到的运动、力和振动，这进一步限制了他们对远程车辆态势感知，极大地影响了车辆的安全行驶。
3.由于人和智能车辆各有优缺点，在人机远程协作过程中，由于操作员和车辆的不同意图和期望存在偏差，可能会产生冲突。如何开发一种操作员与车辆通过感知、决策、计划和控制的多模态接口相互补充和增强。同时实时监控、评估人类和车辆的性能和状态。根据人与车辆的状态，在人与车辆之间自适应分配或完全转移总体控制权限的共享控制方法已经成为远程辅助控制技术的研究热点。
4.智能车辆远程共享辅助可分为横向辅助和纵向辅助。目前，前者主要有基于转向角和差动制动的辅助方式，但是差动制动会降低车速，影响乘车舒适性。而基于转向的辅助方式又可分为转向角叠加和转向扭矩叠加的两种技术路线，采用转向角叠加的控制方式有利于实现车辆的共享控制，而后者很容易应用到车辆上，因为大部分车辆都安全了电动助力转向系统(electric power steering，eps)，后者主要有基于制动安全距离和碰撞时间的控制方法，每种控制方式的侧重点不一样。如前者确定的安全距离偏大，可以保证行车安全性，但是降低了交通效率。综上所述，在智能驾驶事故频发的今天，不考虑人机协作控制的辅助系统并不是解决车辆安全的最好方案。


技术实现要素：

5.为了实现自车在车道边界内和安全距离内安全行驶，并能很好地根据人和车的状态，实现人和车之间自动分配驾驶权，使人机冲突降到最小化，本发明提供一种基于安全操控边界的智能车辆人机远程协作控制方法。
6.基于安全操控边界的车辆人机远程协作的控制方法的硬件环境为智能车辆人机远程协作的控制系统，所述控制系统包括数据采集模块、数据处理模块、无线通信模块、辅助决策模块、辅助控制模块和执行控制模块。
7.根据汽车状态、车道边界、车路偏差、制动安全距离、碰撞时间计算辅助系统容许
的转向盘转角(steering wheel angle，swa)和制动减速度容许的安全操控边界，将自车驾驶模式划分为自由驾驶模式、主动驾驶模式；
8.所述自由驾驶模式采用驾驶员驾驶的人为驾驶方式；
9.所述主动驾驶模式采用非驾驶员驾驶的主动驾驶方式；
10.所述控制方法充分考虑人机协作性能、驾驶员操纵舒适性和前后车的运动状态三个要素；
11.所述控制方法的操作步骤如下：
12.步骤(1)：采集车辆信息
13.由数据采集模块采集自车速度vr、加速度ar、前车速度vf、加速度af、自车和前车之间的实际距离s
ref
、自车坐标系下的左侧车道安全边界线上预瞄点的横向偏差d
l
、自车坐标系下的右侧车道安全边界线上预瞄点的横向偏差dr、转向盘转角θc、驾驶员转矩测量值t
se
、质心侧偏角β。
14.步骤(2)：计算转向盘转角安全边界
15.具体操作工步如下：
16.工步(2.1)、建立非线性转向控制模型
17.基于线性二自由度车辆模型设计非线性转向控制模型，其模型用式(1)，(2)表示；
[0018][0019][0020]
式(1)，(2)中：a1、a2、a3为自车系统结构有关的常数且a1＝2cf+2cr、a2＝2l
fcf-2l
rcr
、a3＝2l2 fcf+2l2 rcr，ω为横摆角速度，β为质心侧偏角，δf为前轮转角，m为整车质量，iz为整车绕铅垂轴转动惯量，lf为自车质心到前轴的距离,lr为自车质心到后轴的距离，cf为自车前轮侧偏角,cr为自车后轮侧偏角，自车纵向速度v
x
(t)；
[0021]
另外，假设自车行驶轨迹是理想的及数据采集模块给出了正确的自车状态和车道参数；此外，假设在一段时间内，自车状态参数横摆加速度ω、质心侧偏角β和自车合成速度保持不变；此时自车将做匀速圆周运动，且自车合成速度v与行驶轨迹相切；在上述假设条件下，自车将沿着期望行驶轨迹行驶，从而获得理想的转向盘转角θc：
[0022][0023]
式(5)中：gw为稳态横摆角速度增益，δf为自车坐标系中p到x轴的横向预瞄距离，t
p
为预瞄时间，wd为理想横摆角速度；
[0024]
根据所述理想的转向盘转角计算方法，当自车的车速较大时，过大的转向盘转角会使自车轮胎侧向力饱和而导致自车横向失稳；为避免该危险情况发生，根据不同路况的附着系数μ和自车纵向车速v
x
(t)来设定允许的转向盘转角的最大界限值为：
[0025][0026]
式(8)中：g为重力加速度；
[0027]
工步(2.2)、计算转向盘转角安全边界
[0028]
根据工步(2.1)所述的非线性转向控制模型，计算得到的转向盘转角安全边界如式(9)，(10)所示，为了防止自车偏离车道，驾驶员的意图转向盘转角必须限制在转向盘转角的安全边界内；
[0029][0030][0031]
式(9)，(10)中：d
l
为自车坐标系下左侧车道安全边界预瞄点的横向偏差，dr为自车坐标系下右侧车道安全边界预瞄点的横向偏差，θ
l
转向盘转角的上边界，θr转向盘转角的下边界；
[0032]
步骤(3)：估计驾驶员意图转向盘转角
[0033]
驾驶员通过对转向盘施加转矩来实现自己的转向意图，因此，直接基于转向系统模型来估计驾驶员意图转向盘转角得到(16)式；
[0034][0035]
式(16)中：jc为转向柱转动惯量，bc为转向柱阻尼系数，θc(s)为转向盘转角θc的拉普拉斯变换，为驾驶员意图转向盘转角的拉普拉斯变换，t
se
(s)为驾驶员转矩测量值t
se
的拉普拉斯变换，ta为外推时间步长。
[0036]
步骤(4)：计算制动减速度安全边界
[0037]
工步(4.1)、建立纵向避撞安全距离模型
[0038]
假设当前车突然制动减速停车至两车均停下，为保证两车不发生碰撞，自车必须在制动结束后与前车保持一个最小安全距离s0，故纵向避撞安全距离模型由式(17)表达；
[0039]
s＝s
f-sr+s0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(17)
[0040]
式(17)中：sf为前车制动结束后行驶距离，sr为自车制动结束后行驶距离，s为自车避免碰撞的安全距离；
[0041]
工步(4.2)、前车速度工况识别
[0042]
由于自车是跟随前车行驶，故本发明从前车的运动工况出发分析安全距离s的计算。其识别方法如式(18)：
[0043][0044]
式(18)中：a(k)为前车加速度，v(k+1)为前车k+1时刻的速度，v(k)为前车k
[0045]
时刻的速度，ts为系统采样时间；
[0046]
工步(4.3)、计算各工况下的安全距离s
[0047]
最后根据工步(4.2)所述的前车速度工况识别结果，得到各工况下的前后车避免碰撞安全距离s：
[0048][0049]
式(22)中：t1为人反应时间，t2为制动器消除间隙时间，t3为制动减速度线性增长时间，a
r’为自车加速度，af为前车加速度，δv
rel
为前后车的相对速度，vf为前车速度，vr为自车速度；
[0050]
工步(4.4)、计算制动减速度安全边界
[0051]
通过碰撞时间(time-to-collision，ttc)来定义制动减速度的操控边界，如下式(23)：
[0052][0053]
式(23)中：ttc为碰撞时间；
[0054]
根据自车纵向避撞安全距离模型，碰撞时间ttc用前后车的运动状态信息来衡量；如(24)式；
[0055][0056]
式(24)中：δa
rel
为前后车相对加速度，s
rel
为自车和前车之间的实际距离；
[0057]
在计算碰撞时间ttc时，需要考虑前后车相对加速度δa
rel
，即δa
rel
＝0和δa
rel
≠0两种情况，最后得到自车制动加速度下边界a
min
为：
[0058][0059]
同时，为了保证自车行驶安全性，自车制动减速度不能超过其最大界限值，因此得到自车制动减速度上边界a≤a
max
＝a
bmax
，其中a
bmax
为车辆最大制动减速度。
[0060]
进一步的技术方案如下：
[0061]
根据步骤(2)得到的自车横向安全操控边界和步骤(4)得到的自车纵向安全操控边界，制定相应的辅助决策策略；所述辅助决策策略为三个辅助决策，不仅要保证自车的横向运动安全和纵向运动安全，而且要最小化驾驶员与辅助系统之间的冲突，进而给予驾驶员更多的驾驶自由，辅助系统应当在有需要时才起作用；如果要使得自车在车道内或纵向
保持安全距离行驶，驾驶员的意图转向角和制动减速度ac应该被限定在安全边界内部；因此通过判断驾驶员的意图转向角和制动减速度ac是否处于其安全边界内部，实现驾驶员和辅助系统之间的控制主权的切换；为此，设计三个辅助决策的输出变量分别为：辅助电机转角目标值θ
md
、辅助制动减速度目标值a
md
和辅助权重ρ；其中辅助电机转角目标值θ
md
和辅助制动减速度目标值a
md
为下层控制器的参考值，其决策过程为：
[0062]
自车横向决策策略如下：
[0063][0064]
自车纵向决策策略如下：
[0065][0066]
辅助权重ρ用于切换辅助系统的控制主权，其确定过程如下：
[0067][0068]
式(30)中：ρh为直接决策出的辅助权重；t
max
是驾驶员正常操作汽车时所能施加的最大转向力矩，a
bmax
是驾驶员正常操作汽车时所能施加的最大制动减速度；为了确保自车控制权的平滑过渡，增加驾驶员的舒适性，在得到控制权限ρh后，把控制权限ρh输入进辅助控制模块中的一阶滤波器中，以输出一个更加柔性的辅助权重ρ。
[0069]
与现有技术相比，本发明的有益技术效果体现在以下方面：
[0070]
1.针对人机远程协作问题，本发明提出的基于安全操控边界的车辆人机远程协作控制方法，根据自车设计的安全操控边界，在自由驾驶模式和主动驾驶模式之间按照制定的辅助决策策略选择与人、车状态相匹配的模式。本发明不仅能够有效地解决行车安全性问题，同时减少人机冲突同时，给予驾驶员更多的驾驶自由。
[0071]
2.本发明定义的车辆安全操控边界，是一个根据车辆状态不断变化安全操控边界，如：车辆速度、横向偏差、预瞄时间都能够影响安全操控边界的宽度，因此本发明能够通过将预瞄时间作为设计参数来动态地调整转向盘转角的操控边界，使得车辆能够更加容易匹配各类工况。
[0072]
3.本发明建立的非线性转向控制模型，横向预瞄距离δf、纵向速度v
x
(t)、质心侧偏角β均为系统的输入变量，而预瞄时间t
p
为设计参数，此外，横向预瞄距离x
la
和稳态增益gw都与速度有关，因此本发明设计的非线性转向控制模型适用于任何速度，具有良好的泛化性能。
[0073]
4.本发明提出直接基于转向系统模型估计驾驶员意图转向角的方法，相比基于驾驶员模型或车-路模型的驾驶员意图转向角估计方法，能够减少模型的不确定性的影响，能
够避免因模型不准而造成的误差；并且使用驾驶员意图转向角来代替实际转向角作为判断车辆危险状态的条件，提前使辅助系统起作用，使自车能够提前预知危险的发生，在一定程度上减少事故的发生。
附图说明
[0074]
图1为线性二自由度车辆模型图；
[0075]
图2为非线性转向控制模型图；
[0076]
图3为根据道路边界计算汽车转向盘转角安全边界图；
[0077]
图4为转向助力系统模型图；
[0078]
图5为转向盘转角实验结果；
[0079]
图6为纵向避撞安全距离模型图；
[0080]
图7为纵向辅助控制流程图；
[0081]
图8为横向辅助控制流程图；
[0082]
图9为辅助控制系统总体结构图。
具体实施方式
[0083]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
[0084]
实施例
[0085]
基于安全操控边界的智能车辆人机远程协作的控制方法的硬件环境为智能车辆人机远程协作的控制系统，所述控制系统包括数据采集模块、数据处理模块、无线通信模块、辅助决策模块、辅助控制模块和执行控制模块。
[0086]
根据汽车状态、车道边界、车路偏差、制动安全距离、碰撞时间计算辅助系统容许的转向盘转角(steering wheel angle，swa)和制动减速度容许的安全操控边界，将自车驾驶模式划分为自由驾驶模式、主动驾驶模式；
[0087]
所述自由驾驶模式采用驾驶员驾驶的人为驾驶方式；
[0088]
所述主动驾驶模式采用非驾驶员驾驶的主动驾驶方式；
[0089]
本发明控制方法充分考虑人机协作性能、驾驶员操纵舒适性和前后车的运动状态三个要素。
[0090]
以下实施例中的自车情况如表1所示：
[0091]
表1自车结构参数
[0092][0093]
本发明控制方法的操作步骤如下：
[0094]
步骤(1)：由数据采集模块采集自车速度vr、加速度ar、前车速度vf、加速度af、自车和前车之间的实际距离s
ref
、自车坐标系下左侧车道安全边界线上预瞄点的横向偏差d
l
、自车坐标系下右侧车道安全边界线上预瞄点的横向偏差dr、转向盘实际转角θc、驾驶员转矩测量值t
se
、质心侧偏角β。
[0095]
步骤(2)：计算转向盘转角安全边界，操作工步如下：
[0096]
工步(2.1)、建立非线性转向控制模型
[0097]
基于线性二自由度车辆模型设计非线性转向控制模型，如图1所示，其模型用式(1)，(2)表示，
[0098][0099][0100]
式(1)，(2)中：a1、a2、a3为自车系统结构有关的常数且a1＝2cf+2cr、a2＝2l
fcf-2l
rcr
、a3＝2l2 fcf+2l2 rcr，ω为横摆角速度，β为质心侧偏角，δf为前轮转角，m为整车质量，iz为整车绕铅垂轴转动惯量，lf为自车质心到前轴的距离,lr为汽车质心到后轴的距离，cf为自车前轮侧偏角,cr为自车后轮侧偏角，自车纵向速度v
x
(t)；
[0101]
另外，假设自车行驶轨迹是理想的及数据采集模块给出了正确的自车状态和车道参数；此外，假设在一段时间内，自车状态参数横摆加速度ω、质心侧偏角β和自车合成速度保持不变；此时自车将做匀速圆周运动，且自车合成速度v与行驶轨迹相切；在上述假设条件下，自车将沿着期望行驶轨迹行驶。设g为自车初始时刻的车辆质心、p为在预瞄时间t
p
时自车质心g在期望行驶轨道上的预测点。x-y为世界坐标系，x
v-yv为自车
坐标系，最后根据自车行驶轨迹的几何关系，如图2所示，得到式(3)；
[0102][0103]
式(3)中：θ为自车在预瞄时间t
p
内对应的圆心角且θ＝ωt
p
，δf为自车坐标系中p到x轴的横向预瞄距离，x
la
为自车坐标系中自车行驶的纵向预测距离，实际上自车横向速度远远小于纵向速度，即v
x
＜vy，因此纵向预测距离x
la
＝v
x
(t)t
p
，然后根据式(3)，获得理想的横摆角速度ωd为：
[0104][0105]
最后由式(3)，(4)，得到理想的转向盘转角θc：
[0106][0107]
式(5)中：gw为稳态横摆角速度增益，并且简单按式(6)计算；
[0108][0109]
式(6)中：i
sw
为转向盘与前轮转角的传动比，l为车辆轴距且l＝lf+lr；k为稳定性因数并且按式(7)计算；
[0110][0111]
根据设计的非线性转向控制模型，其中自车坐标系中p到x轴的横向预瞄距离δf、自车纵向速度v
x
(t)、质心侧偏角β均为系统的输入变量，而预瞄时间t
p
为设计参数，在本实施例中，取t
p
＝0.8s；
[0112]
根据所述的理想的转向盘转角计算方法，当自车的车速较大时，过大的转向盘转角会使自车轮胎侧向力饱和而导致自车横向失稳。为避免该危险情况发生，根据不同路况的附着系数μ和自车纵向车速v
x
(t)来设定允许的转向盘转角的最大界限值为：
[0113][0114]
式(8)中：g为重力加速度；在本实施例中，取μ＝0.8；
[0115]
工步(2.2)、计算转向盘转角安全边界
[0116]
如图3所示，wr为车道宽度，we为自车质心位置安全区域宽度，d
l
、dr分别表示自车坐标系下左、右侧车道安全边界线上预瞄点p
l
、pr的横向偏差，圆弧gp
l
和gpr分别表示自车运动到p
l
和pr点的质心运动轨迹，o
l
、or为对应的圆心，r
l
、rr为对应的半径，最后计算得到的转向盘转角安全边界如式(9)，(10)所示，为了防止自车偏离车道，驾驶员的意图转向盘转角必须限制在转向盘转角的安全边界内；
[0117][0118][0119]
式(9)，(10)中：d
l
为自车坐标系下左侧车道安全边界预瞄点的横向偏差，dr为自车坐标系下右侧车道安全边界预瞄点的横向偏差，θ
l
转向盘转角的上边界，θr转向盘转角的下边界。
[0120]
步骤(3)：估计驾驶员意图转向盘转角操作工步如下：
[0121]
转向盘是驾驶员与汽车之间实现信息传输的人机交互接口，驾驶员根据转向盘转角来掌握汽车转向状态，同时通过施加转矩来控制汽车的运动以实现自己的转向意图。因此，直接基于转向系统模型来估计驾驶员意图转向盘转角如图4所示，考虑转向柱上的力得到式(11)的转向系统模型；
[0122][0123]
式(11)中：θc为转向盘转角，xr为齿条位移，r
p
为小齿轮分度圆半径，td为驾驶员转矩，jc为转向柱转动惯量，bc为转向柱阻尼系数，kc为转向柱刚度系数；
[0124]
然后将驾驶员转矩测量值t
se
代入式(11)中，且驾驶员转矩测量值t
se
按式(12)计算；
[0125]
t
se
＝kc(θ
c-θm/n)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0126]
式(12)中：n为电机减速机构传动比，θm为电机转角；
[0127]
然而当汽车高速行驶时fr主要由轮胎回正力矩产生。为简化模型，令xr＝θ
mrp
/n，最后联立式(11)，(12)得到式(13)；
[0128][0129]
从式(13)中可以看出驾驶员真实转矩td以及驾驶员转矩测量值t
se
是影响转向盘转角θc的两个主要因素，而td直接反应了驾驶员转向的意图。若当前时刻有nθc＝θm，即t
se
＝0，此时若驾驶员突然施加一定的转向力矩，则在该瞬时状态下驾驶员意图转向盘转角与驾驶员转矩td有如下关系：
[0130][0131]
式(14)中：为的拉普拉斯变换，td(s)为td的拉普拉斯变换；
[0132]
最后利用线性外推法来估计驾驶员意图转向盘转角θ*c(s)，定义为式(15)；
[0133]
[0134]
式(15)中：ta为外推时间步长，在本实施例中，取ta＝0.5s，与θc(s)分别为与θc的拉普拉斯变换；
[0135]
又由于真实驾驶员td难以获知，且转向盘转速较慢，此时虽然驾驶员转矩测量值t
se
相对真实驾驶员转矩td具有一定的时间滞后，但是完全满足驾驶员转向意图估计的要求。因此利用驾驶员转矩测量值t
se
替代驾驶员转矩td来计算驾驶员意图转向盘转角是可行的，那么式(15)改写为：
[0136][0137]
参见图5，给出了某一次转向盘转角的实验结果，从图5中得出：每当驾驶员意图转向角超出转向角安全边界时，辅助系统触发以防止自车偏离车道；而当意图转向角在安全边界内部时，辅助控制关闭，驾驶员可以自由操纵汽车。
[0138]
步骤(4)：计算制动减速度安全边界
[0139]
操作工步如下：
[0140]
工步(4.1)、建立纵向避撞安全距离模型，如图6所示，保证两车不发生碰撞，自车必须在制动结束后与前车保持一个最小安全距离s0，s0的理想状态为0，但考虑到行车安全性，在本实施例中，取s0＝3m；因此纵向避撞安全距离模型用式(17)表达；
[0141]
s＝s
f-sr+s0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(17)
[0142]
式(17)中：sf为前车制动结束后行驶的距离，sr为自车制动结束后行驶的距离，s为前后车避免碰撞的安全距离；
[0143]
工步(4.2)、前车速度工况识别
[0144]
如图6所示，由于自车是跟随前车行驶，故本发明从前车的运动工况出发分析安全距离s的计算。其识别方法如式(18)：
[0145][0146]
式(18)中：a(k)为前车加速度，v(k+1)为前车k+1时刻的速度，v(k)为前车k时刻的速度，ts为系统采样时间，在本实施例中，取ts＝0.03s；
[0147]
工步(4.3)、计算各工况下的安全距离s
[0148]
根据工步(4.2)的前车速度工况识别结果，计算各工况下的安全距离s，需要强调的是，由于前车加速时，大部分情况下都处于安全状态，故本发明不做讨论；
[0149]
(4.3.1)前车静止
[0150]
前车静止时，只有自车制动至停车时才能避免事故发生，此时安全距离s为：
[0151][0152]
(4.3.2)前车匀速
[0153]
在前车匀速运动时，自车和前车之间的初始车速存在2种状况：vf≥vr，vf《vr，当vf≥vr时，两车的间隔不存在减少的情况，故此可以避免碰撞；当vf《vr时，只有两车减速到速度相等时，才能避免碰撞风险。此时安全距离s为：
[0154][0155]
(4.3.3)前车减速
[0156]
这种情况下不管前车、自车还是两车同时停下，两车间的距离在自车制动停止时才会最小，故自车车速降到零时是此情况下的临界碰撞危险状态。此时安全距离s为：
[0157][0158]
式(19)，(20)，(21)中：t1为人的反应时间，t2为制动器消除间隙时间，t3为制动减速度线性增长时间，在本实施例中取t1＝0.3s，t2＝0.1s，t3＝0.4s，af为前车加速度，a
r’为自车加速度，δv
rel
为前后车的相对速度，vf为前车速度、vr为自车速度；
[0159]
综上所述，得到各工况下的安全距离s为：
[0160][0161]
得到安全距离s后，再比较它与自车和前车之间的实际距离s
ref
的大小，可以判断自车是否处于危险状态。如果处于危险状态，则进入辅助决策模块，防止碰撞事故的发生。如图7所示；
[0162]
工步(4.4)、计算制动减速度安全边界
[0163]
当自车进入危险状况且辅助系统获得车辆控制权限时，前、后车必须在碰撞之前以适当的制动减速度减速，才能避免前后车碰撞。制动减速度过大会影响行车安全性，过小则不能避免前车碰撞。本发明通过碰撞时间ttc来定义制动减速度的操控边界，如式(23)；
[0164][0165]
根据工步(4.1)所述的自车纵向避撞安全距离模型，碰撞时间ttc用前后车的运动状态信息来衡量，如(24)式；
[0166][0167]
式(24)中：δa
rel
为前后车相对加速度，s
rel
为自车和前车之间的实际距离；
[0168]
而在计算碰撞时间ttc时，需要考虑前后车相对加速度δa
rel
，即δa
rel
＝0和δa
rel
≠0两种情况；
[0169]
(4.3.1)δa
rel
＝0
[0170]
当前后车相对加速度等于0时，ttc为：
[0171][0172]
(4.3.2)δa
rel
≠0
[0173]
当前后车相对加速度δa
rel
≠0时，上式看作是ttc关于δa
rel
、δv
rel
、s
rel
的二次状态函数f(ttc,δa
rel
,δv
rel
,s
rel
)，即当δ＝δv2 rel+2s
rel
δa
rel
≥0时，前后车才可能发生
碰撞，此时碰撞时间ttc为：
[0174][0175]
最后联立式(23)、(25)、(26)，得到自车制动加速度下边界a
min
[0176][0177]
同时，为了保证自车行驶安全性，自车制动减速度要进一步地限制在一定范围内，于是得到自车制动减速度上边界a≤a
max
＝a
bmax
，其中a
bmax
为车辆最大制动减速度，a
bmax
受制动器和路面附着系数约束，在本实施例中a
bmax
取6～8m/s2。
[0178]
步骤(5)：辅助决策策略
[0179]
根据步骤(2)、(4)所述的自车横、纵向安全操控边界，制定相应的辅助决策策略。如图7、8所示，本发明研究的人机远程协作辅助共享系统的辅助决策策略，不仅要保证汽车的横、纵向运动安全，同时最小化驾驶员与辅助系统之间的冲突，给予驾驶员更多的驾驶自由。为此，本发明设计了三个辅助决策的输出变量：θ
md
、a
md
、ρ；其中θ
md
为辅助电机转角的目标值；a
md
为辅助制动减速度的目标值；ρ为辅助权重。θ
md
、a
md
为下层控制器的参考值，其决策过程为：
[0180]
自车横向决策策略如下：
[0181][0182]
自车纵向决策策略如下：
[0183][0184]
变量ρ用于切换辅助系统的控制主权，其确定过程如下：
[0185][0186]
式(30)中：ρh为直接决策出的辅助权重，t
max
是驾驶员正常操作汽车时所能施加的最大转向力矩，a
bmax
是驾驶员正常操作汽车时所能施加的最大制动减速度；为了确保自车控制权的平滑过渡，增加驾驶员的舒适性，在得到控制权限ρh后，把它输入进进辅助控制模块中的一阶滤波器中，以输出一个更加柔性的辅助权重ρ。
[0187]
参见图9，本发明控制系统中各模块的具体情况说明如下：
[0188]
数据采集模块：采集以下数据，自车速度vr、加速度ar、前车速度vf、加速度af、自车和前车之间的实际距离s
ref
、自车坐标系下左侧车道安全边界线上预瞄点的横向偏差d
l
、自车坐标系下右侧车道安全边界线上预瞄点的横向偏差dr、转向盘实际转角θc、驾驶员转矩测量值t
se
、质心侧偏角β。
[0189]
数据处理模块：根据数据采集模块得到的自车运动参数，计算自车横、纵向安全操控边界、驾驶员意图转向盘转角辅助电机转角的目标值θ
md
、辅助制动减速度的目标值a
md
等主要参数。
[0190]
无线通信模块：负责车载端和远程控制端的数据传输。如将车载端得到的安全操控边界发送给远程端。
[0191]
辅助决策模块：根据权利要求2所述，其主要负责计算辅助控制权重ρ并输出辅助控制模块(下层控制器)的期望值，如θ
md
、a
md
等。
[0192]
辅助控制模块：其相当于下层控制器，负责跟踪期望的电机转角θ
md
和期望的制动减速度a
md
并输出辅助转矩t
a0
和辅助制动压力p
a0
。
[0193]
执行控制模块：结合前一模块输出的t
a0
、p
a0
等参数，直接控制车辆的加减速和转向。
[0194]
本领域的技术人员容易理解，以上实施例仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.基于安全操控边界的车辆人机远程协作的控制方法，其硬件环境为智能车辆人机远程协作的控制系统，所述控制系统包括数据采集模块、数据处理模块、无线通信模块、辅助决策模块、辅助控制模块和执行控制模块，其特征在于：根据汽车状态、车道边界、车路偏差、制动安全距离、碰撞时间计算辅助系统容许的转向盘转角(steering wheel angle，swa)和制动减速度容许的安全操控边界，将自车驾驶模式划分为自由驾驶模式、主动驾驶模式；所述自由驾驶模式采用驾驶员驾驶的人为驾驶方式；所述主动驾驶模式采用非驾驶员驾驶的主动驾驶方式；所述控制方法充分考虑人机协作性能、驾驶员操纵舒适性和前后车的运动状态三个要素；所述控制方法的操作步骤如下：步骤(1)：采集车辆信息由数据采集模块采集自车速度v
r
、加速度a
r
、前车速度v
f
、加速度a
f
、自车和前车之间的实际距离s
ref
、自车坐标系下的左侧车道安全边界线上预瞄点的横向偏差d
l
、自车坐标系下的右侧车道安全边界线上预瞄点的横向偏差d
r
、转向盘转角θ
c
、驾驶员转矩测量值t
se
、质心侧偏角β；步骤(2)：计算转向盘转角安全边界具体操作工步如下：工步(2.1)、建立非线性转向控制模型基于线性二自由度车辆模型设计非线性转向控制模型，其模型用式(1)和式(2)表示；基于线性二自由度车辆模型设计非线性转向控制模型，其模型用式(1)和式(2)表示；式(1)，(2)中：a1、a2、a3为自车系统结构有关的常数且a1＝2c
f
+2c
r
、a2＝2l
f
c
f-2l
r
c
r
、a3＝2l2 fc
f
+2l2 rc
r
，ω为横摆角速度，β为质心侧偏角，δ
f
为前轮转角，m为整车质量，i
z
为整车绕铅垂轴转动惯量，l
f
为自车质心到前轴的距离,l
r
为自车质心到后轴的距离，c
f
为自车前轮侧偏角,c
r
为自车后轮侧偏角，自车纵向速度v
x
(t)；另外，假设自车行驶轨迹是理想的及数据采集模块给出了正确的自车状态和车道参数；此外，假设在一段时间内，自车状态参数横摆加速度ω、质心侧偏角β和自车合成速度保持不变；此时自车将做匀速圆周运动，且自车合成速度v与行驶轨迹相切；在上述假设条件下，自车将沿着期望行驶轨迹行驶，从而获得理想的转向盘转角θ
c
：式(5)中：g
w
为稳态横摆角速度增益，δf为自车坐标系中p到x轴的横向预瞄距离，t
p
为预瞄时间，w
d
为理想横摆角速度；根据所述理想的转向盘转角计算方法，当自车的车速较大时，过大的转向盘转角会使
自车轮胎侧向力饱和而导致自车横向失稳；为避免该危险情况发生，根据不同路况的附着系数μ和自车纵向车速v
x
(t)来设定允许的转向盘转角的最大界限值为：式(8)中：g为重力加速度；工步(2.2)计算转向盘转角安全边界根据工步(2.1)所述的非线性转向控制模型，计算得到的转向盘转角安全边界如式(9)，(10)所示，为了防止自车偏离车道，驾驶员的意图转向盘转角θ
c*
必须限制在转向盘转角的安全边界内；角的安全边界内；式(9)，(10)中：d
l
为自车坐标系下左侧车道安全边界预瞄点的横向偏差，d
r
为自车坐标系下右侧车道安全边界预瞄点的横向偏差，θ
l
转向盘转角的上边界，θ
r
转向盘转角的下边界；步骤(3)：估计驾驶员意图转向盘转角驾驶员通过对转向盘施加转矩来实现自己的转向意图，因此，直接基于转向系统模型来估计驾驶员意图转向盘转角得到(16)式；式(16)中：j
c
为转向柱转动惯量，b
c
为转向柱阻尼系数，θ
c
(s)为转向盘转角θ
c
的拉普拉斯变换，为驾驶员意图转向盘转角的拉普拉斯变换，t
se
(s)为驾驶员转矩测量值t
se
的拉普拉斯变换，t
a
为外推时间步长；步骤(4)：计算制动减速度安全边界工步(4.1)、建立纵向避撞安全距离模型假设当前车突然制动减速停车至两车均停下，为保证两车不发生碰撞，自车必须在制动结束后与前车保持一个最小安全距离s0，故纵向避撞安全距离模型由式(17)表达；s＝s
f-s
r
+s0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(17)式(17)中：s
f
为前车制动结束后行驶距离，s
r
为自车制动结束后行驶距离，s为自车避免碰撞的安全距离；工步(4.2)、前车速度工况识别由于自车是跟随前车行驶，故本发明从前车的运动工况出发分析安全距离s的计算，其识别方法如式(18)：
式(18)中：a(k)为前车加速度，v(k+1)为前车k+1时刻的速度，v(k)为前车k时刻的速度，t
s
为系统采样时间；工步(4.3)、计算各工况下的安全距离s最后根据工步(4.2)所述的前车速度工况识别结果，得到各工况下的前后车避免碰撞安全距离s：式(22)中：t1为人反应时间，t2为制动器消除间隙时间，t3为制动减速度线性增长时间，a
r’为自车加速度，a
f
为前车加速度，δv
rel
为前后车的相对速度，v
f
为前车速度，v
r
为自车速度；工步(4.4)、计算制动减速度安全边界通过碰撞时间(time-to-collision，ttc)来定义制动减速度的操控边界，如下式(23)：式(23)中：ttc为碰撞时间；根据自车纵向避撞安全距离模型，碰撞时间ttc用前后车的运动状态信息来衡量；如(24)式；式(24)中：δa
rel
为前后车相对加速度，s
rel
为自车和前车之间的实际距离；在计算碰撞时间ttc时，需要考虑前后车相对加速度δa
rel
，即δa
rel
＝0和δa
rel
≠0两种情况，最后得到自车制动加速度下边界a
min
为：同时，为了保证自车行驶安全性，自车制动减速度不能超过其最大界限值，因此得到自车制动减速度上边界a≤a
max
＝a
bmax
，其中a
bmax
为车辆最大制动减速度。2.根据权利要求1所述基于安全操控边界的车辆人机远程协作的控制方法，其特征在于：根据步骤(2)得到的自车横向安全操控边界和步骤(4)得到的自车纵向安全操控边界，制定相应的辅助决策策略；所述辅助决策策略为三个辅助决策，不仅要保证自车的横向运动安全和纵向运动安全，而且要最小化驾驶员与辅助系统之间的冲突，进而给予驾驶员更多的驾驶自由，辅助系统应当在有需要时才起作用；如果要使得自车在车道内或纵向保持
安全距离行驶，驾驶员的意图转向角和制动减速度a
c
应该被限定在安全边界内部；因此通过判断驾驶员的意图转向角和制动减速度a
c
是否处于其安全边界内部，实现驾驶员和辅助系统之间的控制主权的切换；为此，设计三个辅助决策的输出变量分别为：辅助电机转角目标值θ
md
、辅助制动减速度目标值a
md
和辅助权重ρ；其中辅助电机转角目标值θ
md
和辅助制动减速度目标值a
md
为下层控制器的参考值，其决策过程为：自车横向决策策略如下：自车纵向决策策略如下：辅助权重ρ用于切换辅助系统的控制主权，其确定过程如下：式(30)中：ρ
h
为直接决策出的辅助权重；t
max
是驾驶员正常操作汽车时所能施加的最大转向力矩，a
bmax
是驾驶员正常操作汽车时所能施加的最大制动减速度；为了确保自车控制权的平滑过渡，增加驾驶员的舒适性，在得到控制权限ρ
h
后，把控制权限ρ
h
输入进辅助控制模块中的一阶滤波器中，以输出一个更加柔性的辅助权重ρ。

技术总结
本发明公开了一种基于安全操控边界的车辆人机远程协作控制方法，属于智能车辆技术领域。操作步骤如下：(1)采集车辆信息；(2)计算转向盘转角安全边界，根据汽车状态、车道边界、车路偏差、制动安全距离、碰撞时间计算辅助系统容许的转向盘转角和制动减速度容许的安全操控边界；(3)估计驾驶员意图转向盘转角θ


技术研发人员：谈东奎 吴雪波 朱波 胡旭东
受保护的技术使用者：合肥工业大学
技术研发日：2023.02.22
技术公布日：2023/6/28