人机共驾的变结构控制方法研究

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在智能车辆的自动驾驶技术发展历程中,半自动驾驶是必然经历的一个阶段。半自动驾驶的主要特征是人机共驾,即驾驶员(以下简称人)和自动驾驶控制器(以下简称机器)在均具有车辆的控制权的情况下对驾驶权的分配问题。因此,驾驶权如何有效地在人与机器之间切换及协调是实现半自动驾驶的首要问题。为了研究交通场景下人和机器与交通系统相互作用时的特性,本文构造了人机共驾系统模型框架。该模型由交通场景模型、车辆自动驾驶控制器模型及驾驶员模型构成。本文中交通模型采用全速度差模型、车辆自动驾驶控制器采用车辆运动学模型,而驾驶员模型采用仿机械模型。为了实现驾驶权在人和机之间的切换,本文提出一种基于稳定域的滑模控制器系统,并设计相应人机共驾的变结构控制方法。首先根据人机共驾系统模型自身特性及对应参数范围求取驾驶员控制模型-自动驾驶模型各自的稳定范围,在此基础上考虑设计多参数稳定域的人机共驾评估方法完成系统设计。其次根据控制模型得到切换前后对应控制量,设计切换函数完成驾驶权在人-机之间的切换转移。针对基于稳定域的滑模控制器方法存在驾驶权过渡中平滑性较差的问题,本文提出一种基于平滑性的滑模控制器系统。首先根据驾驶系统偏差量进行滑模面的设计,利用指数趋近律的方法优化切换过程,进而通过增加中间量的方法对基于稳定域的切换函数进行优化。利用基于稳定域的滑模控制器得到的临界稳定控制量,通过增加中间量的方法进行控制量的优化和改进,从而优化切换过程,完成整体滑模控制器的设计。仿真实验表明,在四种不同初始条件的典型场景下,两种控制器方法都具有可行性和有效性,可用于人机共驾过程中驾驶权的切换。通过两种方法结果的对比,验证了第二种方法具有更好的平滑性和更强的稳定性。
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