（机械制造及其自动化专业论文）基于bmw+728ia汽车自动驾驶之车道遵行系统的研究.pdf

摘要摘要随着时代的进步，人们对汽车驾驶安全性和舒适性的要求不断增长。我国汽车工业在蓬勃发展，道路和驾驶安全压力由于家庭汽车的剧增逐渐增长。驾驶辅助系统因其可靠、舒适而引起人们的注意。本文主要研制汽车自动驾驶之车道遵行控制算法。首先分析了国内外车道遵行技术的发展状况。并分析了发展面临的主要问题以及本课题的研究意义。研究中通过模拟研制车道遵行系统用控制算法，为了实现控制算法的模拟，在研制控制算法之前分别在模拟软件m a t l a b s i m i l i n k 和p e l o p s 中建立了汽车b m w7 2 8 i a 的横向运动模型以及模拟用的车道模型。然后提出两种不同的控制算法，它们分别是“状态监控控制算法”和“偏差控制法”。通过理论比较两控制算法的优缺点选定“偏差控制法”为进一步研究用控制算法。在控制算法确定后，通过模拟和试验结合的方式确定控制算法中的某些参数。接着分别对所建立的汽车横向运动模型和所研制的车道遵行控制算法进行模拟，评价了汽车横向运动模型的准确性以及车道遵行的主要性能指标。控制算法模拟成功后，在进一步对其实验评价之前建立所需的硬件平台。由于汽车b m w7 2 8 i a 原有转向系不符合本系统完全自动控制的要求，对其转向系进行结构改进，使满足完全自动控制的要求。并对其他相关硬件( 道路数据采集系统和微控制器) 的选择作简单的介绍。在控制算法模拟实现及硬件系统建立后，对控制算法进行实验分析，试验中通过对汽车运动几个重要指标的评价，分析了其在汽车低、中、高速下的控制性能。通过理论和实验分析可知：所研制的控制器能够满足车道遵行的基本要求。实验结果表明，汽车在不同速度下都能稳定地遵行车道。但同时也发现，本控制系统的控制稳定性与道路数据采集系统密切相关，由于目前的道路数据采集系统并不能完全满足实用要求，因此本系统距离实用仍具有较长的路要走。但是，作为未来汽车自动驾驶的一部分，车道遵行系统的研究仍是未来的研究重点之一。通过本研究为以后的相关研究提供了借鉴作用。关键词：车道遵行，模拟，控制算法，汽车模型，转向系，方向盘转角a b s t r a c ta b s t r a c ta st h ei m p r o v e m e n to f t h ew o r l d ，o u rn e e do f t h e ，s a f e t ya n de a s e m e n to f t h ec a rg r o w sm o r ea n dm o r ea n dt h es t r e s so ft h er o a da n dd r i v i r i gs a f e t yb e c o m e sh e a v i e ra n dh e a v i e r ,a c c o m p a n y i n gw i t ht h ei n c r e a s eo f t h ec a ro w n e db yo r d i n a r yf a m i l i e s h e n c e ，t h ed r i v i n ga s s i s t a n ts y s t e mt u r n st ob en o t e w o r t h yf o ri t sa b i l i t yo f p r o v i d i n gac r e d i b i l i t ya n dc o m f o r td r i v i n g i nt h i sp a p e r , t h ea r i t h m e t i co fc o n f o r m i n gc a l i n t ot h er o a di nt h ed r i v i n ga s s i s t a n ts y s t e mi st h em a i no b j e c tt os t u d y t h ea r i t h m e t i ci nt h i sp a p e ri ss t u d i e db yu s i n gs i m u l a t i o n s of o rr e a l i z i n gt h es i m u l a t i o no ft h ec o n t r o l l i n ga r i t h m e t i c ，am o d e lo ft h em o t i o no fb m w7 2 8 i ai nt h el a n d s c a p eo r i e n t a t i o ni sf o u n d e di nt h es i m i a l a t i n gs o f t w a r em a t l a b s i m u l i n ka n dp e l o p sb e f o r et h ed e t a i l e ds t u d i e s t h e n ，t w od i f f e r e n tc o n t r o l l i n ga r i t h m e t i cm e t h o d s ，c o n t r o l l i n gb yt h em o n i t o r i n go f t h es t a t u sa n dc o n t r o l l i n gb ye r r o r s ，a r eb r o u g h tu p ah a r d w a r ep l a t f o r mi sn e e d e dd u r i n gt h ep e r i o do f t h er e a l i z i n go f t h es i m u l a t i o na n dt h ee x p e r i m e n tt oa n a l y z ea n de v a l u a t e b e c a u s et h eo r i g i n a lv e e r i n gs y s t e mo fb m w7 2 8 i ac a n tm e e tt h ed e m a n do fa u t oe o n 廿o l l i n g ，a ni m p r o v e m e n ti sd o n et os a t i s f yt h i sk i n do fd e m a n d o t h e rh a r d w a r er e l a t e di sa l s oi n t r o d u c e d s u c ha st h er o a dd a qs y s t e ma n d t h e m c u t h ee x p e r i m e n ta n da n a l y s i so ft h ec o n t r o l l i n ga r i t h m e t i cm e t h o dp r o c e e d sa f t e rt h er e a l i z i n go ft h es i m u l a t i o no fi ta n dt h ee s t a b l i s h i n go ft h eh a r d w a r ep l a t f o r m ，i nt h ee x p e r i m e n t ，t h r o u g ht h ee v a l u a t i n go fs e v e r a li m p o r t a n ti n d e x e s ，t h ec o n t r o l l i n gp e r f o r m a n c ei nt h ec o n d i t i o no f l o w , m e d i u m , a n dh i 曲s p e e di sa n a l y z e d t h er e s u l tt h a tt h ec o n t r o l l e rd e s i g n e dc a r la l m o s tm e e tt h eb a s i cd e m a n do fr o a dc o n f o r m i n gc a nb eg o tt h r o u g ht h et h e o r ya n de x p e r i m e n t b u ti ti ss t i l lal o n gt i m et op u tt h i ss y s t e mi n t op r a c t i c a lu s e h o w e v e r , a sap a r to ft h ef u t u r ea u t o d r i v i n g ，s t u d yo ft h er o a dc o n f o r m i n gs y s t e mw i l ls t i l lb eak e y s t o n ei nt h ef u t u r er e s e a r c ha n dt h i sa r t i c l ei sh o p e dt op r o v i d eau s e f u lr e f e r e n c ef o rt h ef u t d i 咤。r e l a t e dr e s e a r c h k e yw o r d ：l a n ek e e p i n g ，s i m u l a t i o n , c o n t r o l l i n ga r i t h m e t i c ，m o d e l ，v e e r i n gs y s t e m ，v e e r i n ga n g l ei i学位论文版权使用授权书本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如f 各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。兰签蟹经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。指导教师签名：学位论文作者签年月日名：年月日同济大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。签名：懈训年3 月第1 章绪论第1 章绪论1 1 前言“自动驾驶汽车不是梦”。1 0 0 来年的汽车发展史，使汽车从不起眼的代步工其成为世界工业的巨人。汽车已经渗透到我们每个人的生活、工作中。那么，今后的汽车将会是怎样的昵? 飞机经历了人工直接操作、电控液压操作到今天的全天候超降及自动驾驶。汽车是否能像飞机一样做到全天候自动驾驶?在特定的条件下是可以做到的。飞机自动驾驶必要条件是机场和飞机，同样汽车自动驾驶的必要条件是道路和汽车。展望前景，道路和汽车二者面临的困难是差不多的。从目前看，道路的客观形势较为好一些，世界发达国家的高速公路已十分普及，我国目前也已经形成全国性的高速公路框架，再有5 1 0 年的时间即可形成庞大的高速公路网。高速公路的普及就像高等级的机场一样，为智能汽车的实现奠定了基础。现在汽车研制的“电子地图”、“方向定位”、“g p s ( 全球卫星定位) ”、“电子多视”、“旅行导航员”和“卡里”系统等从不同角度为驾驶员提供行车路线信息，这些都不能称为“自动驾驶汽车”。真正自动驾驶的汽车应是驾驶员在做某些工作后( 如安装程序等) ，能向其他乘车人员一样可以聊天、看书或小憩一会，只是遇到特殊情况( 自动驾驶仪无法正常工作并提示信号) 时。做适当的处理。综上所述，自动驾驶汽车的应用需具备三大要素：1 、网络式高速公路( 坡度极大、凹凸不平、路面极窄和泥泞的乡间小道是不行的) ；2 、区域或全世界统一的导航方式( 含车外的导航系统和车内的导航设施1 ；3 、具有故障诊断功能的高性能汽车。车辆的自动驾驶系统是构成未来智能汽车的主要系统之一，它不仅可以大大减少交通事故，提高汽车的主动安全性，还可降低车辆的燃料消耗，减少排气污染，提高公路的运输效率；同时，也减轻了驾驶员的负担，提高了乘坐的舒适性。第1 章绪论1 2 课题研究的背景本课题基于联邦德国教育研究基金的“汽车防撞驾驶系统研究”项目进行，“汽车道路遵行系统的研究”是“汽车防撞驾驶系统研究”中的子研究课题。从汽车发明发展到今天，汽车技术已经发展成相对成熟的技术。汽车产业也是许多国家的支柱产业之一。随着时代的进步，人们对汽车驾驶的安全性和舒适性的要求不断增长。近年来我国家庭汽车的迅速增加，道路上的汽车保有量日见增长，为了降低驾驶员在驾驶过程中面对的各种压力以增强驾驶舒适性，汽车驾驶辅助系统成为汽车研究机构的重点研究课题之一。1 3 国内外汽车车道遵行系统的研究现状无人驾驶汽车的研制在国外近几十年取得了重大的发展，因其安全、可靠、舒适而引起人们的兴趣。美国、日本、德国等都取得了可喜的成绩。自动驾驶汽车的研究始于1 9 8 3 年美国国防高级研究计划局制定的“战略计算机计划”。目标是研制出一辆可以在崎岖地形上沿规划的路线自主导航及躲避障碍的智能车辆，必要时重新规划其路线。紧接着美国的研制计划，法、德、英、日、意等国相继制定了无人驾驶车辆的研制计划。根据驾驶任务的不同，驾驶辅助系统的任务认为是解决三个不同技术层面的问题，它们分别是规划、牵引和稳定。未来的驾驶辅助系统就是要在这三个方面给汽车以全方位支持。目的不仅为了降低驾驶员在驾驶过程中的压力同时提高驾驶的舒适性和安全性。稳定性层面上目前已经有较多的成熟技术装备于实际车辆e ，比如大家所熟悉的防抱死系统( a b s ) 以及汽车动力控制系统；在规划层面上的驾驶辅助技术有熟悉的汽车导航系统；在汽车牵引方面的辅助系统目前处于开始阶段。自动牵引技术作为未来汽车的发展方向之一，它己成为各汽车技术相关部门研究的重点。根据控制汽车运动方向的不同，汽车自动牵引技术可分为汽车纵向牵引和横向牵引两大类。汽车工业发达国家对汽车纵向辅助技术相对研究较多，目前已有较成熟的技术，例如已装备于许多高档汽车如奔驰c 系、a 系以及宝马7 系中的a c c ( a d a p t i v ec r u i s ec o n t r 0 1 ) 系统，以及最近比较新兴的研究方向s t o p p i n g & g o 和t r a c k st r a i n第1 章绪论等。相对于纵向牵引辅助技术，横向牵引辅助技术发展相对缓慢，横向牵引技术涉及范围也比较广，有目前研究较多的车道遵行技术、侧向风补偿技术以及自动换道技术等。其中的车道遵行技术也是本文研究内容。有关车道遵行技术的研究，美国最早在7 0 年代后期进行了一项名为“p a t h p r o j e c t ”的研究，在研究中，研究人员在试验车道上安装“磁性标记”，通过汽车传感器与磁性标记的结合使用最终实现了车道的自动遵行，此技术称为“基于磁性标记诱导的车辆车道自动遵行技术”。由于其是通过外部设施引导而实现，因此属于“外部引导式技术”范畴。如果要使此技术成功产品化，有待解决的一个最大问题是对现有的基础设施“道路”进行全面重建，这本身在经济成本上是几乎不可能实现的，同时带来汽车的自动驾驶系统的实现的周期也特别长。图1 1 宝马公司的h e a d i n gc o n t r o l 系统原理图欧洲对汽车车道遵行技术的研究主要是集中在一些大型汽车公司，例如，宝马汽车公司在上世纪9 0 年代中期进行了一项名为“h e a d i n gc o n t r o l ”的研究，此系统未实现全自动控制，而是在驾驶员做出汽车横向运动情况预判并操作后再由辅助控制系统对人预判后的动作做出补偿控制，因此，此系统中，作为通常意义上的汽车驾驶主体驾驶员仍然是控制环节中的必要一环，如图1 1 。相对于美国的研究，欧洲更倾向于不改变现有基础设施的情况下研究汽车的自动车道遵行。研究中更多的是采用图像处理系统( 如摄像头、雷达) 采集道路状况以及通过各种传感器识别驾驶环境状况，这种不改变基础设施的技术通常称为“自主式技术”。尽管国外在这方面经过了比较多的研究，但是存在的各种技术难题有待进一步第1 章绪论解决，车道遵行技术到目前为止并没有真正意义上的运用于汽车产品中。相对于汽车工业发达国我国的很多汽车技术处于起步阶段或者是空白阶段。但随着我国汽车私家车的不断增加，我国汽车交通面临着与欧美同样的问题：道路上的汽车保有量日见增长；驾驶员的在驾驶过程中面临的驾驶环境越来越复杂；汽车的增加带来了更多的交通事故。经调查表明，全欧洲在2 0 0 4 年发生的车祸中有1 3 是由于汽车偏离车道而引起的。因此，随着我国汽车工业的逐步发展，越来越多研究的目光也投向汽车自动驾驶技术的发展上。从1 9 9 9 年开始，国家智能交通系统工程技术研究中心就从跟踪并赶超世界前沿的战略角度出发，进行了智能公路工作原理和相关技术的研究探索。经过“十五”期问的刻苦攻关，已经研究开发成功了一套适合中国国情的、拥有完全自主知识产权的磁性标记诱导、车路协作等智能公路的理论和关键技术设备，实现了车辆车道自动保持以及车路信息交互等功能。清华大学计算机科学与技术系与北京理工大学以及国防科技大学实验室也进行了多年的道路数据采集系统研究，他们主要采用激光雷达和摄像头作为视觉系统，并采用自己已有的图像处理技术，进行信息识别和处理，取得了较好的采集效果，为车道遵行技术的进一步发展提供了良好的硬件支持。由此可见，汽车辅助驾驶技术在未来汽车发展中扮演着越来越重要的角色。特别是我国汽车工业作为国家支柱产业之一，面对国外飞速发展的汽车辅助驾驶技术，我们应当迎头赶上。逐渐缩小国内外的技术差距。1 4 本课题研究需要解决的问题对驾驶员而言，在汽车运行过程中使汽车遵行车道，要解决的是汽车转向问题，汽车转向是一个非常复杂的过程。通常地，这个过程是驾驶员通过对车道的观察，对汽车当前和预期的状态比较后进行估计而做出控制反应，而这些信息是来自于驾驶员大脑中的驾驶模型，通过对上述信息的处理作出虽优控制，驾驶员在整个控制循环中扮演着控制器的角色。研究课题的目标是通过模拟驾驶员的驾驶过程，研制一种完全替代驾驶员使汽车在单车道上自动遵行车道的系统。实现对汽车车道遵行的完全自动控制。为实现此目标，本文需要重点解决的问题是：第1 章绪论1 由于不同汽车的性能差别较大，因此必须根据特定的汽车( 本研究基于汽车b m w7 2 8 i a ) 在m a t l a b 中建立精确的汽车模型，本文中汽车模型指的是汽车横向运动模型。2 研制一种基于图像采集系统的较优汽车车道遵行用控制算法。3 根据研究目标，改进当前汽车转向系，使其在不影响手动工作方式的前提下能够实现满足本控制系统要求的全自动控制。通过本论文的研究，理论的分析了汽车车道遵行控制系统，并通过试验对其进行评价，为以后的相关技术研究提供了借鉴作用。1 5 本论文主要内容第l 章绪论：介绍汽车车道遵行系统的研究背景以及目前国内外该领域的研究现状。指出其中存在的实际方案的适用性等方面的问题。并在此基础之上，讨论了本系统研制的重点与意义。第2 章模拟用软件平台与接口：简单介绍了本系统开发过程采用的软件平台，采用的软件平台分别是p e l o p s 和m a t l a b s i m u l l n k 。特别介绍了用于模拟道路情况的软件p e l o p s 。以及p e l o p s 和m a t l a b s i m u l i n k 之间数据交互的实现。第3 章汽车模型：通过对汽车轮胎偏转特性和研究汽车横向动力理论的研究，建立了基于汽车b m w7 8 2 i a 的汽车轮胎模型、汽车横向动力模性和传感器模型。并在s i m u l i n k 中实现建模。第4 章控制器的研制：根据控制要求，本章提出了两种不同的汽车车道遵行控制算法，它们是监控器控制算法和控制偏差的线性控制算法。通过结合实际硬件要求理论地分析了两控制器的优缺点，并选择其中较优的控制器用作进一步模拟和试验。第5 章控制器的模拟评价：对第4 章中选定的较优控制器迸行模拟运算并评价，模拟分为汽车在小弯道的低速运动和在大弯道的高速运动两种情况。分别评价了不同速度下的汽车车道遵行系统的各项主要指标。第6 章控制系的硬件设计：本章节重点介绍了对b m w7 2 8 i a 转向系的改进，使其既能满足汽车原有的手动操作功能，同时满足本系统试验所要求的全自动控制功能。并且简单介绍了道路数据采集系统与微控制器的选定。第1 章绪论第7 章试验评价：在完成前面第4 、5 、6 章节所介绍的内容后，把所研制的控制算法用于试验车b m w 7 2 8 i a 上，对控制器在实验中的几个重要性能指标进行评价。第8 章总结和展望：总结了本文的主要工作及创新点，并提出仍旧存在的问题和未来的工作重点。第2 章模拟用软件平台与数据接口第2 章模拟用软件平台与数据接口2 1 引言随着近年来个人p c 的迅速发展，以及软件上的快速进步使得工程中大量采用计算机进行研发成为可能，特别是c a e 的发展，使得研究人员可以借助计算机对现实情况进行虚拟仿真。这不仅大大缩短了产品的设计周期，同时也降低了设计成本。本课题研究过程中采用模拟方式研制汽车车道遵行用控制算法，不仅需要建立一个精确的汽车横向动力模型，还需对车道模型模拟仿真。在研究中，结合使用了模拟软件m a t l a b i s i m u l i n k 和道路仿真软件p e l o p s 。以下各章节将简单介绍这两种模拟工具。并对两软件之间的数据交互原理以及实现形式进行简单介绍。2 2p e l o p sp e l o p s 是“p r o g r a mf o rt h ed e v e l o p m e n to f l o n g i t u d i n a lt r a f f i cp r o c e s s e si ns y s t e mr e l e v a n te n v i r o n m e n t ”的缩写。是基于车辆的道路状况模拟软件。根据p e l o p s 软件的特征知，它的优点是全面考虑了车辆行驶过程中的各因素的影响，这些因素包括有驾驶员、汽车本身、钋部环境等。p e l o p s 最大的用途是用来模拟计算道路交通的车流状况，其另外一个用途就是作为研究汽车驾驶辅助系统的模拟环境。p e l o p s 的任务是分析在某种特定条件下驾驶员、汽车和外部环境之间的相互作用，它表征了汽车模型和交通模型的结合。此程序的核心单元为如上面所提到的三大因素：道路外部环境、驾驶员( 包括有数据处理模块和动作模块) 以及汽车。如图2 1 所示，通过这些单元p e l o p s 可以非常精确的模拟道路交通环境。图中的虚线包括的三个模块就是分别是道路模型、驾驶模型和汽车模型。7第2 章模拟用软件平台与数据接口道路摸型驾驶模型图2 1p e l o p s 的结构图其中，道路模型描述交通环境特征。道路模型中不仅包含道路的基本信息。还包括其它如相邻车辆的状态信息和天气状况信息等等。对道路进行描述时，用户可以定义车道数、车道宽度以及道路路线模型等，通过在道路上增加“特征位置”标识对车道分段描述，各段车道的类型可以单独设定；用户还可以设定其他如风速、能见度和道路表层水高等因素。驾驶员模型中包括数据处理模块和动作模块。驾驶员模型是汽车模型和外部环境模型间的纽带环节。数据处理模块从道路模型中获取汽车驾驶信息，例如汽车横向加速度、汽车质心偏离车道中线的绝对偏差以及汽车横摆角等。这些参数进一步传递给动作模块。动作模块中计算汽车的横向控制参数如车轮偏转角等并对汽车进行控制。在p e l o p s 内只含有汽车纵向动力模型，这主要是和本软件在此之前只用于汽车纵向运动模拟有关。没有建立横向运动模型之前认为汽车在p e l o p s 中的横向运动是理想的。即汽车始终是按照由驾驶模型所定的理想位置( 比如始终保持在中线上) 进行运动。因此在系统的研制第一步是要在p e l o p s 中建立精确的汽车横向动力模型。2 3m a t l a b s i n ，i n km a t l a b 是m a t r i xl a b o r a t o r y 的简写。是用于工程计算的最常用软件之。它集计算处理、模拟和程序编写功能于一身。s i m u l i n k 作为m a t l a b 的子模块，是用于建模、模拟和动态系统分析的交互工具。用户可以在s i m u l l n k 中建立图形模块控制系统并对其进行计算模拟。第2 章模拟用软件平台与数据接口在s i m u l i n k 中，用户可以通过鼠标点击拖拉模块的形式来实现简单建模。各子系统之间的数据传递通过输入和输出模块来实现，无论子系统是否在同一层次。每个功能模块可以单独作为一个子系统使用，通过这种方式建立的模型易于理解。在s i m u l i n k 中模块建立后可以马上对其进行模拟分析。模拟过程中可通过图形输出和数字输出模块来显示控制系统的模拟结果，这样用户无须等模拟结束后发现错误。这个优点可以使用户更加有效的建立复杂模型。s t m u l i n k 另外一个优点是其超强的计算功能和清晰的数据传递关系。它的自带库包含有所有的常用函数。如果模型中需要比较复杂或特殊的函数，用户可以采用c 代码或m a t l a b 代码编写函数转换成s 函数作为一个单独模块使用。在s i m u l l n k 中所有模块之间的连接都是采用带箭头的直线模块实现，清晰地表示了两个模块之间的数据传递关系。另外，s i m u l i n k 模块可以从m a t l a b 的工作区直接读入源代码并且可以送出每一模拟步的模拟结果，由此使它与p e l o p s 之间的实时传递数据成为可能。2 4p e l o p s m a t l a b 数据交互如前所述，在p e l o p s 中包含了汽车模型和外部环境模型，而具体的车道遵行控制器模型则在m a t l a b ，s i m u l i n k 中建立。为了实现在不同系统下模块之间的数据交换。必须在这两软件之间建立数据交互接口。如图2 2 所示，通过数据交互接口，p e l o p s 和m a t l a b s i m u l i n k 共同组成了汽车车道遵行控制系开发的模拟环境。图2 2p e l o p s 和m a t l a b 间的数据交互9第2 章模拟用软件平台与数据接口接口软件实现了p e l o p s 和m a n ，a b ，s i m u l i n k 两标准软件之间的数据交互，即使这两模拟软件分别位于不同的操作系统下或者是不同的计算机中。通过t c p h p通信协议可进行数据传递。在进行数据传递时，接受数据的计算机和发送数据的计算机只需获得对方的i p 地址和通信端口。换言之，发送时只对特定i p 地址发送数据，同时接收时也是从特定的i p 地址处接收数据。表2 ，1 3 中s 函数用来实现数据传递。表2 1 数据交互用函数s 函数名称函数功能描述p e l o p st o _ v e h m d l从p e l o p s 接受数据，并进一步传递到m a t l a b 的工作域内v e h m d l _ t o _ p e l o p s从m a t l a b 接受数据并且把接受到的数据传递到p e l o p st 0 w s把从汽车模型中输出变量传递到m a t l a b 的工作域中前两个文件采用c + + 编程语言编制，后一文件采用c 语言编写，这些文件必须进一步编译成d l l ( d y n a m i c l i n k l i b r a r y ) 。s 函数的执行顺序由函数的优先权决定，s i m u l i n k 允许对它们优先权设定。在s i m u l i n k 中，控制器模型需要获取道路数据，因此在每一步模拟开始时必须把所有的控制器所需输入变量送入m a t l a b ，“p e l o p st ov e h m d l ”的优先权撮高，也就是最先被执行；在此执行过程完成后，控制器输出变量重新传递给m a t l a b 工作域，再进一步传送回p e l o p s ，因此，s 函数“v e h m d lt o2 d e l o p s ”最后被执行；函数“t o w s ”没有固定的执行顺序，被调用时就被执行，其不需要有优先权。图2 3 介绍了在s i m u l i n k 中的汽车整体模型，表示了每个模块( 汽车模型，控制模型，传感器器模型和数据传递) 之间的关系。左上方的两橙色模块分别是s函数“p e l o p s _ t ov e l m a d l ”和“v e h m d l _ t op e l o p s ”。而另外一个s 函数“t o w s ”则位于子系统“a u s g a n g s & a n z e i g e ”里。汽车包括的重要数据有：车轮侧偏角，汽车横向加速度和横摆角速度等等。在每步模拟之前，s 函数“p e l o p st ov e h m d l ”在m a t l a b 的工作域中保存从p e l o p s 过来的数据。汽车模型可以方便地从m a t l a b 工作域中读取数据。而具体的读取数据的任务由子系统“v o n p e l o p s ”完成，此子系统根据s i m u l i n k 中的模型所要的数据类型对数据类型转换成s i m u l l n k 模型所需的数据类型。例如，道路半径需要根据情况加上正负符号。1 0第2 章模拟用软件平台与数据接口图2 3s 1 n m u l i n k 中的汽车整体模型所有的汽车特征常数保存在十n l 文件中【脲】，在横向控制系统中p e l o p s 共有9个输入变量和一个输出变量。这些变量受驾驶员模型和环境模型影响。如表2 2 所示。，表2 , 2p e l o p s 的输入和输入变量变量名类型数据类型意义i f r i输入d r i v e r车道标识r d v w输入d r i v e r期望的性能r h w输入e i n v i r o n m e n t水层的厚度r q输入e i n v i r o n m e n t车道坡度r v f z q输入e i n v i r o n m e n t车速r v w i输入e i n v i r o n m e n t风速c输入e i n v i r o n m e n t道路方向矢量d y _ a k t输入s e n s o r汽车质心偏离车道中线的距离e i n g r i f f输入s e n s o r驾驶员中断信号dw i n k e i输出道路切线方向和车速方向的夹角在p e l o p s 中，这些输入量用来计算车速和后续模拟的汽车位置。通过车速和汽车位置，环境模块计算出新的汽车状态数据并且传递给驾驶员模块，并做出期望的控制动作。这些新采集数据将作为汽车和控制器模块的下一步的输入。2 5 本章小节本章简单介绍了本研究使用的模拟软件，它们是道路模拟软件p e l o p s 和系统建模软件m a t l a b s i m u l i n k 。介绍完软件平台和模拟环境的构思后，接下来将介绍在m a t l a b s i m u l i n k 中的汽车模型的建立，第3 章汽车模型的建立第3 章汽车模型的建立第2 章中已简单的介绍了控制器研制的开发环境，为使控制器在模拟环境中的实现，必须在m a t l a b s i m u l i n k 中建立用于在p e l o p s 中模拟的汽车横向运动模型，汽车横向运动模型主要包括有汽车的轮胎模型、汽车横向动力模型和汽车传感器模型。在模拟中，这些模型起类似传感器的作用。对汽车结构进行仿真并采集汽车的各项运动数据用于车道遵行控制器的模拟。以下各章节将对各模型的建立作详细介绍。3 1 汽车轮胎的侧偏特- 陛轮胎的侧偏特性是轮胎机械特性的一个重要部分。侧偏特性主要是指轮胎的侧偏力、回正力矩和侧偏角之间的关系。在讨论汽车轮胎侧偏特性之前，简单介绍一下轮胎坐标系确定以及在此坐标系下的有关侧偏特性的2 个定义。如图3 1 所示，垂直于车轮旋转曲线的轮胎中分平面为车轮平面，车轮平面与地平面的交线为坐标系的x 轴；z 轴与地平面垂直，向上为正方向；y 轴位于地平面上，汽车前进方向的左边为正方向。坐标系的原点为车轮平面和地平面的交线与车轮旋转轴线在地平面上投影线的交点。正图3 1 轮胎的坐标系与地面作用于轮胎的力和用力巴第3 章汽车模型的建立侧偏角口：是轮胎接地印迹中心( 即坐标系原点) 位移方向与x 轴的夹角。外倾角y ：是垂直平面( x o z 平面) 与车轮平面的夹角。3 1 i 轮胎的侧偏角汽车在行使过程中，由于路面的侧向倾斜、侧向风或曲线行使使车轮受离心力等侧向力作用。车轮中心沿y 轴方向将作用有侧向力e ，相应地在地面上产生地而侧向反作用力，e 也称为侧偏力。在假设车轮是刚性的前提下，当有地而侧向反作用力时，将可以发生两种情况，如图3 2 。uaa )b )图3 2 汽车轮胎的侧偏【l l 】1 当地面侧向反作用力f ，未超过车轮与地面问的附着极限时，车轮与地面间没有滑动，车轮仍沿其本身乎面的方向行驶。2 当地面侧向反作用力只达到车轮与地面间的附着极限时，车轮发生侧向滑动，将偏离车轮本身平面的行驶方向。当车轮有侧向弹性时；即使疋没有达到附着极限，车轮行驶方向亦将偏离车轮第3 章汽车模型的建立平面t t l a 的方向，称为轮胎的侧偏现象。在具有侧向弹性的车轮在垂直载荷为w 的条件下，车轮中心受到侧向力，地面相应地有侧偏力时出现两种情况。一是车轮静止不滚动，由于车轮有侧向弹性，轮胎发生侧向变形，轮胎胎面接地印迹的中心线c c 与车轮平面口口不重合，错开劬，a a 仍平行于c c ，如图3 2a ；二是车轮滚动。接触印迹的中心线c c 不只是和车轮平面错开一定距离，而不再与车轮平面a o 平行，o a 与c c 的夹角。，即为侧偏角口。此时，车轮就是沿着c c 方向滚动的，图3 2b 。显然，侧偏角口数值是与侧向力只的大小有关的，在侧偏角不超过5 。时，e 与口成线性关系。汽车行驶时，侧向加速度通常不超过0 4 9 ，侧偏角不超过4 。一5 。，可以认为侧偏角与侧偏力成线性关系。用侧偏刚度k 来表示这一关系，只与口的关系式如式3 1 表示。b2 k a( 3 1 )小型轿车轮胎的k 值约在一2 8 0 0 0 一8 0 0 0 0 n r a d 范围内。侧偏刚度是决定操纵稳定性的重要轮胎参数。高的侧偏刚度( 指绝对值) ，可以保证汽车良好的操纵稳定性。3 1 2 汽车轮胎模型由于汽车轮胎复杂的非线性特征，到目前为止，没有找出一种比较精确的理论数学公式来描述轮胎的特性，前一章节所介绍的公式是在做了许多假设的基础上得出的，而更多时候工程界采用根据经验主义建立的的数学模型来描述。这里介绍由h a n sb p a c e j k a ( d e l f t 大学) 和e g b e r tb a k k e r ( n e d c a r 工程研究中心) 共同提出的轮胎m a g i c 公式。举例简单介绍m a g i c 公式的原理。图3 3 中曲线表示汽车轮胎的摩擦系数与汽车质心转角之间的关系。在转角为垂直转角时( 记为s 。) 的摩擦系数最大。随着车轮转角的增加摩擦系数逐渐变小，当质心转角为s = 1 时摩擦系数为。1 4第3 章汽车模型的建立fp m 烈妊帐p s转避7 7s c i i ts | 1 0s 一图3 3 m a g i c 模型例图在m a g i c 模型中，曲线可以采用经验公式( 3 2 ) 表达，通过这种模型，计算结果可以达到和测量值一样的精度要求。y ( x ) = d - s i n c a r c t a n b x - - e c b x - a t c t a n ( b x ) ) 】( 3 2 )由于各车轮胎结构特征通常不同，所以在此基础上必须有一定的偏差。x 和y 的修正为：y ( x ) = y ( x ) + s ，( 3 3 )工2 x + ( 3 4 )式中屯水平偏移5 v竖直偏移d 表示益线的峰值。当汽车质心偏角达到其最大值时，摩擦系数大小为：。= d s i n ( = g z c )( 3 5 )此模型可以用来计算在较大汽车质心偏角时的车轮横向受力。因为它先决条件是非线性的。通过选择合适修正系数可以表示不同轮胎的不同的特征曲线。当计算横向轮胎受力时，用汽车质心转角来代替公式3 2 中的x 。轮胎横向受力的参数b 、c 、d 、e 可以采用以下公式计算。q = a o( 3 6 )第3 章汽车模型的建立d y = ( a l c + a 2 ) ee ，= a 6 t + 口7a 3 - s i n ( 2 ，a r c t a n f 。, ) ( 1 - a s l y 、dc y d ys h = 口9 屁+ 口1 0 + 投s ，s w = a e 。，+ a 1 21 e + q 3式中：f轮胎所受的垂直方向上的力y轮胎的外倾角汽车轮胎模型的横向受力参数通过对b m w 7 2 8 i a 所用轮胎进行测试所得。所测得得参数值如下表3 1 所示。表3 ，1 用于汽车轮胎模型的测试数据参数名称测量值口01 _ 3q4 3 6 0 0 421 1 7 7 9q9 6 5 2 1 83 2 汽车线性二自由度模型参数名称测量值口41 2 2 7 2 7口50 2 1 7 3 3 4口60 0 2 1 4 2 6 8+口-0 2 0 4 1 5 9 0 5为便于分析汽车横向动力模型，对汽车模型作如下简化：1 忽略转向系统的影响，汽车转向直接以前轮转向作为输入；2 ，忽略悬架的作用，认为汽车车厢只是作平行于地面的平面运动，即汽车沿z轴的位移，绕y 轴的俯仰角与绕x 轴的侧倾角均为零；3 假设汽车只有沿y 轴的侧向运动与绕z 轴的横摆运动这样两个自由度；4 汽车的侧向加速度限定在0 4 以下，轮胎侧偏特性处于线性范围：5 驱动力不大，不考虑地面切向力对轮胎侧偏特性的影响，没有空气动力的作1 6第3 章汽车模型的建立用，忽略左、右车轮轮胎由于载荷的变化而引起的轮胎特性的变化以及轮胎回正力矩的作用。这样，所分析的汽车便简化成一两轮摩托车模型，它是一个有前后两个有侧向弹性的轮胎支承与地面、具有侧向横摆运动的二自由度汽车模型。见图3 4 。图3 4 二自由度汽车模型【】l 】由图3 4 可知，二自由度汽车在y 方向上的受力平衡以及绕汽车质心的力矩平衡可如式3 7 表示。第3 章汽车模型的建立o ，+ r _ 聊”( 矿一卢l( 3 7 )l f f y 。f l ，。f = j 静式中：，为地面对前、后轮的侧向反作用力，即侧偏力m为汽车质量v汽车速度o ：汽车绕z 周的转动惯量矿，y横摆角速度和角角速度n ，z r前后轴与质心间距户汽车在质心处的测偏角根据坐标系的规定，前、后轮侧偏角为由汽车轮胎理论可知式中口，口，2 t l 口，i，= 七：qjk ，k 2 为汽车前后轮的侧偏刚度。综合公式整理后得到二自由度汽车运动微分方程为 。+ 女：归+ 吉以i 。一f ，七：p 一毛占= m v 舻一夕)( 1 i k i - l ，k 2 ) 8 + l ( 1 1 2 k l + l , 2 尼：访- i f k t 6 = j z 妒( 3 8 )( 3 9 )( 3 1 0 )二自由度汽车模型虽然简单，但是却包含了最重要的汽车质量和轮胎侧偏刚度两方面的参数，这些参数能够反映汽车曲线运动最基本的特征。在后面章节中介绍的汽车模型都是建立在二自由度模型的基础上的。一丝，盟，+一廖詹=第3 章汽车模型的建立3 3 汽车横向动力模型简化后的二自由度汽车模型是汽车横向动力模型建立基础，作为模拟用的汽车横向动力模型必须满足下面三个基本要求：1 能够精确的计算。因为在汽车整摸型中包含有汽车纵向模型，在迸行模拟计算时需同时计算两个动力系统的各个参数，由于它们之间的相互影响，任何一个小的误差都可能引起另外一个动力系统参数误差的放大，特别是在循环控制里面。2 稳定性能好。由于动力参数计算的非连续性可能造成汽车横向动力模型的不稳定。3 详细地表述汽车模型和控制器之间的关系。建立的汽车模型是为进一步的控制算法的研制作准备，控制算法模拟成功后须进一步用于实验测试中，所以，必须详细的说明汽车模型和控制器模型之问的联系。比如说，汽车模型必须可以从控制器接受方向盘转角而不是汽车前轮转角，因为实际控制时，控制对象是转向器而不是汽车的前轴。本文介绍的汽车模型指汽车的横向运动模型，并不涉及汽车的纵向运动模型，在后面的章节中，汽车模型均指汽车的横向运动模型。本研究中的在汽车的横向动力参数中，主要包括有汽车的横向速度、加速度以及横向受力等等。图3 5 表示整个汽车横向动力模型的功能流程图。图3 5 汽车横向动力原理简图1 9第3 章汽车模型的建立圈3 6s i m u l l n k 中的汽车横向动力模型汽车横向动力在s i m u l i n k 中的总模型如图3 6 所示。横向动力模型共有5 个输入变量和5 个输出变量，有关输入输出变量的详细信息如表3 2 所示。其中的某些i 一变量必须从汽车的纵向动力模型中获得，这些变量如只，口，等。表3 2 汽车模型的输入和输出变量变量名称类型含义单位c输入车轮在纵向上的受力f 。输入车轮在横向上的受力| v矿输入汽车速度 t fsj输入汽车车轮转角d 输入汽车纵向加速度m s2矿输出汽车横摆角速度r n d s0输出汽车质心侧偏角r a d口输出前后轮侧偏角r a da y输出汽车质心横向加速度m s2c输出轮胳在z 向所受力n汽车横向动力的模型进一步可以细分为以下5 个子模块，它们分别是：汽车横摆第3 章汽车模型的建立角速度、质心的侧偏角、前后轮侧偏角、汽车质心横向加速度和车轮垂直载荷。下面对它们分别进行介绍及建模。3 3 1 汽车横摆角速度计算汽车横摆角速度时有两种方法，可以通过对横摆角微分得到也可以通过对横摆角速度积分求得。这里通过对横摆角加速度积分的方式计算横摆角速度。如图3 7所示，表示了作用在汽车4 个车轮上x 方向和y 方向的分力，以及汽车的特征尺寸。根据图3 7 ，汽车在绕z 轴的扭矩平衡可以得知i 矿=o i + e ，。) 1 1 一k ，户+ e ，) + 以，一。) _ s f _ +