本發(fā)明主要涉及新能源汽車，具體涉及一種基于動(dòng)力學(xué)模型的無人駕駛汽車耦合控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的快速發(fā)展，車輛的自主控制系統(tǒng)成為智能交通系統(tǒng)的重要組成部分。然而，傳統(tǒng)的車輛控制系統(tǒng)通常僅依賴于簡(jiǎn)單的動(dòng)力學(xué)模型和單一控制策略，難以在復(fù)雜多變的道路環(huán)境下實(shí)現(xiàn)高精度的軌跡跟蹤與安全避障?，F(xiàn)有系統(tǒng)在處理諸如車輛橫向穩(wěn)定性、縱向控制和動(dòng)態(tài)障礙物避讓等問題時(shí)，往往面臨響應(yīng)速度慢、控制精度不足的挑戰(zhàn)，難以全面保障行駛安全性。

2、在復(fù)雜路況中，車輛的動(dòng)力學(xué)行為與輪胎剛度、車輛轉(zhuǎn)向等因素密切相關(guān)。傳統(tǒng)的橫向控制方法未能充分考慮輪胎剛度對(duì)轉(zhuǎn)向的影響，導(dǎo)致車輛在高速或急轉(zhuǎn)彎時(shí)易出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。此外，縱向控制通常采用單環(huán)pid控制器，僅能簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)速度，無法精準(zhǔn)應(yīng)對(duì)距離控制需求，尤其是在車輛跟車場(chǎng)景下，對(duì)前車的距離和速度變化反應(yīng)滯后。當(dāng)前的障礙物識(shí)別技術(shù)多依賴于單一傳感器，未能充分利用多種傳感器融合的優(yōu)勢(shì)，限制了車輛在復(fù)雜環(huán)境中的安全性和智能決策能力。針對(duì)這一挑戰(zhàn)，一些無人駕駛廠商對(duì)多個(gè)無人駕駛汽車的軌跡以及避障進(jìn)行了系統(tǒng)化的測(cè)試。然而，在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景如何高效地實(shí)現(xiàn)對(duì)靜態(tài)以及動(dòng)態(tài)障礙物的避障仍然具有較大的挑戰(zhàn)性，并且在測(cè)試中存在的安全風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)影響無人駕駛汽車行駛時(shí)的效率。

3、因此，亟待設(shè)計(jì)出一種基于動(dòng)力學(xué)模型的面向安全的無人駕駛汽車耦合控制系統(tǒng)，解決上述存在的技術(shù)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明主要提供了一種基于動(dòng)力學(xué)模型的無人駕駛汽車耦合控制系統(tǒng)用以解決上述背景技術(shù)中提出的技術(shù)問題。

2、本發(fā)明解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案為：

3、一種基于動(dòng)力學(xué)模型的無人駕駛汽車耦合控制系統(tǒng)，包括：

4、傳感器模塊，用于獲取無人駕駛汽車行駛狀態(tài)，該行駛狀態(tài)包括采集車速、轉(zhuǎn)向角、橫向加速度等參數(shù)；

5、自行車動(dòng)力學(xué)模型建模模塊，基于傳感器模塊采集的參數(shù)，建立無人駕駛汽車的動(dòng)力學(xué)模型，該模型將無人駕駛汽車簡(jiǎn)化為前輪控制轉(zhuǎn)向、后輪控制驅(qū)動(dòng)的自行車模型；

6、轉(zhuǎn)向控制模塊，基于輪胎剛度模型計(jì)算轉(zhuǎn)向時(shí)的輪胎側(cè)偏角，并對(duì)轉(zhuǎn)向力矩進(jìn)行調(diào)整，以優(yōu)化車輛轉(zhuǎn)彎的穩(wěn)定性和安全性；

7、耦合控制模塊，基于自行車動(dòng)力學(xué)模型建模模塊所創(chuàng)建的自行車模型和轉(zhuǎn)向控制模塊所使用的輪胎剛度模型，生成對(duì)無人駕駛汽車轉(zhuǎn)向、加速度及速度的控制指令，提升車輛操控性能與安全性。

8、進(jìn)一步的，在本發(fā)明中，該系統(tǒng)通過線性二次型調(diào)節(jié)器控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)無人駕駛汽車的橫向控制，所述橫向控制包括：

9、基于自行車模型獲取車輛的橫向偏移量和航向角誤差；

10、線性二次型調(diào)節(jié)器控制器根據(jù)所述偏移量和誤差，實(shí)時(shí)計(jì)算最優(yōu)轉(zhuǎn)向角，以實(shí)現(xiàn)無人駕駛汽車的橫向穩(wěn)定性和軌跡跟蹤。

11、進(jìn)一步的，在本發(fā)明中，該系統(tǒng)還包括用于無人駕駛汽車縱向控制的雙環(huán)pid控制器，所述縱向控制包括：

12、第一pid控制環(huán)，用于基于車輛與前方目標(biāo)的距離進(jìn)行距離控制，通過調(diào)整油門和剎車來維持安全車距；

13、第二pid控制環(huán)，用于基于車輛的當(dāng)前速度與預(yù)設(shè)速度的偏差進(jìn)行速度控制，通過油門或剎車的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)速度的精確控制。

14、進(jìn)一步的，在本發(fā)明中，所述雙環(huán)pid控制器實(shí)時(shí)調(diào)整車輛的加速度和減速度，以確保車輛在復(fù)雜路況下的縱向控制穩(wěn)定性，并根據(jù)交通條件動(dòng)態(tài)調(diào)整速度和距離控制參數(shù)。

15、進(jìn)一步的，在本發(fā)明中，該系統(tǒng)還通過模型預(yù)測(cè)控制器實(shí)現(xiàn)無人駕駛汽車的循跡控制，所述循跡控制包括：

16、基于車輛當(dāng)前狀態(tài)、目標(biāo)軌跡和動(dòng)力學(xué)模型，預(yù)測(cè)未來時(shí)刻的車輛軌跡；

17、模型預(yù)測(cè)控制器通過優(yōu)化控制輸入，計(jì)算出最優(yōu)的轉(zhuǎn)向、加速和制動(dòng)操作，以使車輛沿著目標(biāo)軌跡行駛，同時(shí)滿足車輛動(dòng)力學(xué)約束和安全約束。

18、進(jìn)一步的，在本發(fā)明中，所述模型預(yù)測(cè)控制器可根據(jù)實(shí)時(shí)環(huán)境變化和車輛狀態(tài)更新目標(biāo)軌跡，并在考慮道路曲率、障礙物和車輛動(dòng)力學(xué)特性的前提下，調(diào)整控制輸入以保證車輛循跡精度和安全性。

19、進(jìn)一步的，在本發(fā)明中，該系統(tǒng)還包括障礙物識(shí)別模塊，所述障礙物識(shí)別模塊通過安裝在無人駕駛汽車頂部的傳感器實(shí)現(xiàn)障礙物檢測(cè)，所述障礙物檢測(cè)包括：

20、傳感器探測(cè)無人駕駛汽車周圍50米范圍內(nèi)的環(huán)境；

21、最多可識(shí)別20個(gè)目標(biāo)，并根據(jù)目標(biāo)的距離、速度和方位生成相應(yīng)的障礙物信息。

22、進(jìn)一步的，在本發(fā)明中，所述傳感器包括激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)和攝像頭，以提高障礙物識(shí)別的精度和環(huán)境適應(yīng)能力，尤其在復(fù)雜道路條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)障礙物的準(zhǔn)確檢測(cè)。

23、進(jìn)一步的，在本發(fā)明中，該系統(tǒng)可通過生成s-t圖(空間-時(shí)間圖)實(shí)現(xiàn)對(duì)靜態(tài)障礙物的避讓，所述靜態(tài)障礙物避讓包括：

24、采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法，根據(jù)s-t圖中的障礙物位置和路徑信息，規(guī)劃最優(yōu)行駛路徑，確保車輛繞過靜態(tài)障礙物。

25、進(jìn)一步的，在本發(fā)明中，該系統(tǒng)可通過二次規(guī)劃算法對(duì)動(dòng)態(tài)障礙物進(jìn)行避讓，所述動(dòng)態(tài)障礙物避讓包括；

26、結(jié)合s-t圖中的時(shí)間維度，計(jì)算動(dòng)態(tài)障礙物的移動(dòng)軌跡和速度，生成二次規(guī)劃模型，以實(shí)時(shí)調(diào)整車輛的軌跡，確保避讓動(dòng)態(tài)障礙物的同時(shí)保持車輛行駛的穩(wěn)定性和安全性。

27、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

28、本發(fā)明通過基于動(dòng)力學(xué)模型的耦合控制系統(tǒng)，結(jié)合高級(jí)控制領(lǐng)域的線性二次型調(diào)節(jié)器和模型預(yù)測(cè)控制器完成控制策略，以及動(dòng)態(tài)規(guī)劃、二次規(guī)劃算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)無人駕駛汽車的精確操控與安全行駛，能夠?qū)崟r(shí)預(yù)測(cè)并避讓靜態(tài)和動(dòng)態(tài)障礙物，從而顯著提升車輛的行駛穩(wěn)定性和安全性。此外，系統(tǒng)的多傳感器融合與動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法有效增強(qiáng)了環(huán)境感知能力，確保車輛在復(fù)雜交通環(huán)境中能夠安全、平穩(wěn)地完成任務(wù)，提高了自動(dòng)駕駛技術(shù)的實(shí)用性和可靠性。

29、以下將結(jié)合附圖與具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的解釋說明。

技術(shù)特征：

1.一種基于動(dòng)力學(xué)模型的無人駕駛汽車耦合控制系統(tǒng)，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于動(dòng)力學(xué)模型的無人駕駛汽車耦合控制系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)通過線性二次型調(diào)節(jié)器控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)無人駕駛汽車的橫向控制，所述橫向控制包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于動(dòng)力學(xué)模型的無人駕駛汽車耦合控制系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)還包括用于無人駕駛汽車縱向控制的雙環(huán)pid控制器，所述縱向控制包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于動(dòng)力學(xué)模型的無人駕駛汽車耦合控制系統(tǒng)，其特征在于，所述雙環(huán)pid控制器實(shí)時(shí)調(diào)整車輛的加速度和減速度，以確保車輛在復(fù)雜路況下的縱向控制穩(wěn)定性，并根據(jù)交通條件動(dòng)態(tài)調(diào)整速度和距離控制參數(shù)。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于動(dòng)力學(xué)模型的無人駕駛汽車耦合控制系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)還通過模型預(yù)測(cè)控制器實(shí)現(xiàn)無人駕駛汽車的循跡控制，所述循跡控制包括：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于動(dòng)力學(xué)模型的無人駕駛汽車耦合控制系統(tǒng)，其特征在于，所述模型預(yù)測(cè)控制器可根據(jù)實(shí)時(shí)環(huán)境變化和車輛狀態(tài)更新目標(biāo)軌跡，并在考慮道路曲率、障礙物和車輛動(dòng)力學(xué)特性的前提下，調(diào)整控制輸入以保證車輛循跡精度和安全性。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于動(dòng)力學(xué)模型的無人駕駛汽車耦合控制系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)還包括障礙物識(shí)別模塊，所述障礙物識(shí)別模塊通過安裝在無人駕駛汽車頂部的傳感器實(shí)現(xiàn)障礙物檢測(cè)，所述障礙物檢測(cè)包括：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于動(dòng)力學(xué)模型的無人駕駛汽車耦合控制系統(tǒng)，其特征在于，所述傳感器包括激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)和攝像頭，以提高障礙物識(shí)別的精度和環(huán)境適應(yīng)能力，尤其在復(fù)雜道路條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)障礙物的準(zhǔn)確檢測(cè)。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于動(dòng)力學(xué)模型的無人駕駛汽車耦合控制系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)可通過生成s-t圖(空間-時(shí)間圖)實(shí)現(xiàn)對(duì)靜態(tài)障礙物的避讓，所述靜態(tài)障礙物避讓包括：

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種基于動(dòng)力學(xué)模型的無人駕駛汽車耦合控制系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)可通過二次規(guī)劃算法對(duì)動(dòng)態(tài)障礙物進(jìn)行避讓，所述動(dòng)態(tài)障礙物避讓包括；

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種基于動(dòng)力學(xué)模型的無人駕駛汽車耦合控制系統(tǒng)，屬于新能源汽車技術(shù)領(lǐng)域，包括：傳感器模塊，用于獲取無人駕駛汽車行駛狀態(tài)；自行車動(dòng)力學(xué)模型建模模塊，建立無人駕駛汽車的動(dòng)力學(xué)模型；轉(zhuǎn)向控制模塊，基于輪胎剛度模型計(jì)算轉(zhuǎn)向時(shí)的輪胎側(cè)偏角，并對(duì)轉(zhuǎn)向力矩進(jìn)行調(diào)整；耦合控制模塊，基于自行車動(dòng)力學(xué)模型建模模塊所創(chuàng)建的自行車模型和轉(zhuǎn)向控制模塊所使用的輪胎剛度模型，生成對(duì)無人駕駛汽車轉(zhuǎn)向、加速度及速度的控制指令；本發(fā)明結(jié)合高級(jí)控制領(lǐng)域的線性二次型調(diào)節(jié)器和模型預(yù)測(cè)控制器完成控制策略，實(shí)現(xiàn)了對(duì)無人駕駛汽車的精確操控，能夠?qū)崟r(shí)預(yù)測(cè)并避讓靜態(tài)和動(dòng)態(tài)障礙物，從而顯著提升車輛的行駛穩(wěn)定性和安全性。

技術(shù)研發(fā)人員：張志誠(chéng)
受保護(hù)的技術(shù)使用者：張志誠(chéng)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6