基于MPC的汽车紧急避撞控制及转向盘力矩突变修正策略

Emergency collision avoidance system can save the lives of the driver and occupants in moments of crisis and can further improve the active safety of vehicles. The trajectories generated by using oversimplified models may lead to the failure of collision avoidance. However, it is difficult to meet the real-time requirements by using complex models. Meanwhile, such factors as the nonlinear characteristics of vehicle model, the immeasurability of some vehicle driving states and road parameters, the variability of obstacle motion and so on also increase the design difficulty of collision avoidance control system. In addition, the active steering intervention for collision avoidance control can cause the unnatural reaction of steering wheel, which will aggregate the driver's nervous psychological and is not conducive to driving safety. Based on the above problems, this project studies the emergency collision avoidance control from the point of theory and method. This work focuses on (1) real-time path planning and tracking based on MPC for collision avoidance; (2) moving horizon estimation for vehicle driving states and road parameters; (3) compensation control of unnatural steering wheel torque for man-machine harmony; (4) validation and effectiveness of control algorithms for engineering applications. Through this project, the emergency collision avoidance control based on moving horizon optimization is put forward to solve the theoretical problem of collision avoidance, which can provide a theoretical basis and technical support for the independent research and development of vehicle active safety.

汽车紧急避撞控制系统能够在危急时刻拯救驾乘者的生命，有效提高汽车的主动安全性。避撞控制时，采用简单模型进行路径动态规划，可能导致紧急工况下的路径跟踪失败，而复杂模型又难以满足实时性要求。同时，模型的非线性、部分汽车行驶状态和道路参数的不可直接测量性、障碍物运动的多变性等因素也增加了控制的难度。此外，转向系统的主动干预会在转向盘上产生突变力矩，加剧驾驶员的紧张心理，不利于驾驶安全。针对以上问题，本项目从理论和方法的角度对紧急避撞控制展开研究。重点研究：（1）基于MPC的汽车紧急避撞实时路径规划与跟踪控制；（2）基于滚动时域估计的汽车行驶状态与道路参数估计；（3）面向人机和谐的转向盘突变力矩补偿控制方法；（4）面向工程应用的控制算法有效性和可行性验证。通过本项目研究，提出基于滚动时域优化的汽车紧急避撞控制方法，解决避撞控制的关键理论问题，为我国汽车主动安全技术的自主研发提供理论基础和技术支持。

随着科技的飞速发展，自动驾驶汽车逐渐进入了大众视野，它在给人们出行带来便利的同时，其安全性问题亦不容忽视。汽车主动避撞控制系统能够在危急时刻拯救驾乘者的生命，极大地提升了车辆的行驶安全性，是自动驾驶领域的研究热点。本项目充分考虑汽车紧急避撞控制需求，建立了高精度的纵侧耦合UniTire轮胎模型，搭建了PresCAN、Simulink和CarSim联合仿真平台；构建滚动时域估计预测模型，设计优化目标及约束条件，将车辆状态参数估计转化为带约束的多目标优化问题，基于滚动时域估计方法对车辆状态参数进行估计，实现汽车侧向速度和路面条件的高精度估计。针对汽车紧急避撞控制问题，充分考虑车辆动力学约束，结合道路环境信息，基于Sigmoid函数、回旋曲线对避撞路径进行规划；同时，结合本车行驶状态以及周边车辆运动信息，建立障碍物危险程度风险评估模型，基于MPC对初始参考路径进行实时动态调整，实现运动障碍物下的避撞控制。针对汽车避撞控制过程中路径跟踪精度及实时性问题，基于参考路径信息提出了一种轮胎状态刚度预测方法，在预测时域内实现了对非线性轮胎力的预测和线性化处理，并在此基础上设计了考虑稳定性目标和安全约束的线性时变LTV-MPC避撞控制器；充分利用MPC优化的转角优化序列信息对轮胎状态刚度进行预测，引入轮胎状态刚度增量对预测的轮胎状态刚度进行修正，有效解决轮胎力线性化过程中的抖动问题。最后，进行了相关的领域的拓展研究，主要包括汽车漂移控制、人机动态博弈等方面。此项目的实施对提升智能汽车的安全行驶具有重要的工程意义和社会价值，不仅为加速推进车辆智能化提供理论支撑，而且为我国智能汽车领域储备核心技术人才也有着深远的意义。