第 1 章绪论
1.1 课题来源
本课题源于国家重点研发计划“高机动应急救援车辆（含消防车辆）专用底盘及悬挂关键技术研究”（编号：2016YFC0802902）及吉林省汽车零部件创新平台资助项目“有触觉引导的大型特种车辆驾驶辅助系统”。本文的具有力/触觉引导的车辆驾驶辅助转向控制研究，首先，研究了基于任务规划机制的操纵装置触觉引导力的生成方法；其次，设计了基于驾驶员的人手操纵力和触觉引导力融合控制的力/触觉辅助转向接口，旨在建立驾驶员智能控制决策和车辆自主导航的接口，实现驾驶时方向盘对驾驶员驾驶行为的力觉引导，提高车辆操纵的智能与安全。
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1.2 本文的研究背景及意义
随着汽车工业的迅速发展，道路上的车辆越来越多，这使得相应的问题也随之而来：道路交通压力越来越大，交通事故频繁发生。根据资料[1]显示，2015 年末，全国民用汽车保有量达到 17228 万辆，比上年末增长 11.5%；民用轿车保有量 9508 万辆，增长 14.6%；交通事故万车死亡人数为 2.22 人。驾驶员分心是可能导致或导致车祸的许多人为因素之一，因此行车安全受到了全社会的广泛关注。根据美国国家公路交通安全管理局（NHTSA）[2]的统计数据显示，在 2010 年，20%车辆碰撞事故是由驾驶员分心引起，在 2012 年，驾驶员分心导致 3328 人死亡，421,000 人受伤。如何提高车辆的安全性减少与这些碰撞相关的损失已经成为乘用、商用车辆研究和设计中的主要问题。 传统的车辆在转向过程中，驾驶员主要依靠视觉信息来指导其操纵行为。尽管车辆配备有多个后视镜以改善视野，但由于车身较大，驾驶员仍存在视觉盲区。一些技术人员通过在车辆两侧设置摄像头，驾驶室设置显示器来解决此问题，但右转时驾驶员需全面观察路况信息，不能仅关注显示器图像，容易造成顾此失彼，留下更大隐患。随着汽车转向技术的发展，线控转向技术由于取消了方向盘和转向车轮之间的机械连接，通过控制力感模拟电机和转向电机来实现方向盘力反馈和车辆转向，所以是一种具有力反馈的“遥操作”系统。因此，本课题将遥操作领域的力/触觉引导控制技术引入车辆的操纵装置，开发新型车辆驾驶辅助系统和模拟平台，实现车辆驾驶时通过方向盘产生对驾驶员行为的力觉信息提示，减少驾驶员的分心，从而培养驾驶员更好的驾驶决策意识。 车载主动安全技术是汽车驾驶辅助系统的重要组成部分，其目的是消除事故隐患，提前告诉驾驶员即将遇到的障碍，是兼顾智能交通和智能车辆的综合技术应用。新的传感器及测量技术允许现代车辆感知周围的环境，线控转向技术是一种具有力反馈的“遥操作”系统又具备了车辆主动转向的潜力。因此，将遥操作领域的力/触觉引导控制技术引入车辆操纵装置，在方向盘处通过触觉反馈辅助驾驶员正确和及时的操纵是一种可行的方式。此外，与基于听觉和视觉辅助驾驶技术相比，使用触觉的方式将信息传递给驾驶员能够为驾驶员提供更有效和较少的干扰驾驶辅助，因此，在许多车载应用中被认为是一种最优的方式。
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第 2 章力/触觉辅助转向操纵系统的组成及工作原理
2.1 引言
车辆转向系统主要实现两个功能：一是驾驶员可以通过操作方向盘使车辆按照自己的控制意图进行转向；二是将轮胎与路面之间的相互作用力通过机械传动机构反馈到方向盘，提供驾驶员转向力感[45,49]。基于力/触觉辅助转向操纵系统除具有常规转向系统的功能外，还应该能够将控制器根据车辆行驶状态构建的引导力，通过控制反馈电机输出映射到操纵机构上来辅助驾驶员，进行正确和及时的转向。 力/触觉辅助转向操纵模拟系统需要力/触觉辅助转向接口、车辆动力学仿真子系统及视景仿真子系统共同实现其辅助转向功能。其中，力/触觉辅助转向接口通过其扭矩传感器和角度传感器实时采集驾驶员作用在方向盘上的力和转角信息，并将采集到的信息通过网络通信传输到动力学仿真系统；动力学仿真子系统一方面根据接收到的信息响应驾驶员的操作，另一方面将车辆与地面交互产生的交互力、构建的虚拟引导力反馈到转向操纵系统辅助驾驶员进行操作；视景仿真子系统则根据动力学仿真系统传递的信息实时更新车辆的姿态给驾驶员以视觉反馈。此外，加速、制动踏板控制虚拟车辆的加速与制动效果，系统示意图如图 2.1 所示。
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2.2 力/触觉辅助转向接口辅助转向功能设计
本课题所搭建的力/触觉辅助转向操纵系统取消了转向轮及附带的传动机构，驾驶员的转向动作直接通过信号采集系统转化为数字信号传输到动力学仿真系统控制虚拟视景中的车辆运动，方向盘上将不存在反馈信息，这失去了驾驶的实车感觉，因此需要设计一个力/辅助转向接口不仅能对方向盘提供反馈力矩，而且其控制系统能够将构建的虚拟引导力实时反馈给方向盘，使驾驶员不仅能够感受到与真实车辆相近的驾驶感觉，而且能够给驾驶员提供适当的驾驶辅助。力/触觉辅助转向接口需要实现以下几个功能： （1）驾驶员转动方向盘，力/触觉辅助转向接口上的传感器能够实时检测方向盘上的转角和力矩信号。 （2）力/触觉辅助转向接口具有限位、回正功能。限位是指转向操作时方向盘转动角度的限制，通常包括 ±720°（即方向盘左转两圈，右转两圈），±540°（方向盘左右各转一圈半）。回正是指车辆在行驶过程中，驾驶员转动方向盘转到一定角度后松开，方向盘会自动回正到中位。 （3）上位机控制器能够将检测得到的方向盘转动角度和扭矩信号实时传送给车辆动力学仿真系统； （4）上位机控制器能够实时接收来自动力学仿真系统传输的车辆运动状态参数及地面参数，并能够通过合适的算法构建虚拟引导力。 （5）车辆动力学仿真系统能够与转向操纵系统、视景仿真系统、加速制动踏板实时通信。
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第 3 章力/触觉辅助转向接口建模及参数辨识 .....23
3.1 引言 ......23
3.2 力/触觉辅助转向接口建模 .........24
3.3 力/触觉辅助转向接口参数辨识 .........26
3.4 本章小结 ......29
第 4 章基于改进 RRT 算法的车辆行驶路径规划 .........31
4.1 引言 ......31
4.2 RRT 算法的基本原理 .........32
4.2.1 环境空间陈述 ........ 32
4.2.2 RRT 算法的基本原理 ........... 33
4.3 非完整性约束系统及车辆模型 ..........35
4.3.1 非完整系统约束 .... 35
4.3.2 非完整性约束车辆模型........ 35
4.4 基于车辆运动约束的改进 RRT 算法 ........37
4.4.1 车辆动力学模型的集成........ 38
4.4.2 度量函数的选取 .... 41
4.5 本章小结 ......42
第 5 章基于预测信息的转向共享控制方法研究 ..........43
5.1 引言 ......43
5.2 基于模型预测控制的路径跟随控制器设计 ......43
5.3 基于预测信息的转向共享控制策略 ..........48
5.4 本章小结 ......51
第 5 章基于预测信息的转向共享控制方法研究
5.1 引言
本章首先在第四章规划的车辆行驶路径的基础上，以控制车辆无偏差的跟踪期望路径为目标，设计模型预测控制器进行路径跟踪；其次，基于预测控制器预测输入和驾驶员操作输入的转角差异构建车辆保持规划路径行驶的触觉引导力；在此基础上，研究了作用在方向盘操纵装置上的虚拟引导力与驾驶员操纵力融合的转向共享控制方法。 虚拟引导力通过方向盘操纵装置一方面为驾驶员提供预见性的触觉和力觉信息提示，另一方面应保证不妨碍驾驶员正常的操作意图，为实现这一目标需研究方向盘操纵装置的人-机共享控制方法。由于驾驶员与车辆自动控制器同时作用在方向盘操纵装置上，因此两者必须要意识到彼此的动作，这意味着双向通信是必要的。控制器通过传感器采集驾驶员施加在转向系统上的扭矩信号以分析驾驶员的意图，同时驾驶员能够通过转向操纵系统感受反馈的虚拟引导力用于理解控制器的行为[76]。通过在操纵装置上采用虚拟引导力与驾驶员操纵力融合的共享控制方法，以虚拟引导力为导向，将控制器自主控制与驾驶员手动控制相结合，实现人类智能与车辆智能共同作用下车辆的安全驾驶。
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总结
针对车辆驾驶领域中存在操作性与安全性的问题，本课题提出了一种具有力/触觉引导的车辆驾驶辅助转向控制研究。首先，研究了基于任务规划机制的操纵装置触觉引导力的生成方法，即通过基于车辆运动约束的改进 RRT 算法规划车辆的最佳转向避障路径，基于模型预测控制设计了路径跟踪的预测控制器控制车辆沿期望转向路径的路径跟踪，根据预测得到的转角相对于驾驶员实际输入的转角差异构建车辆保持期望路径行驶的虚拟引导力；其次，设计了一种具有力/触觉辅助转向接口，该装置具有一定的主动性和自主性，在该装置的操作空间内采用将虚拟引导力、操纵力、车辆与路面交互的交互力进行融合控制的人机共享控制方法，在方向盘处给驾驶员以触觉反馈，旨在为驾驶员提供预见性的触觉信息提示，提高车辆操纵的智能与安全。 本文的重点研究工作如下：
（1）根据力/触觉辅助转向的接口的功能需求和控制流程，设计了具有回正及限位功能的机械机构，并详细的介绍了力觉交互处理模块、电机驱动模块、加速制动踏板模块。
（2）建立了所设计辅助转向接口从力感电机到方向盘的数学模型；此外，采用最小二乘法根据系统输入输出参数估测了系统模型中的未知机械参数。
（3）采用改进的 RRT 算法规划车辆行驶的最佳转向避障路径。该算法在RRT 框架中结合车辆自身的非完整性约束和动力学模型，引入目标偏向的思想和适合车辆转向的度量函数，从而生成平滑的且能够用于路径跟踪的可执行轨迹。
（4）以控制车辆无偏差的跟踪规划的路径为目标，设计了模型预测控制器；在此基础上，提出了一种基于预测信息的转向共享控制策略，即将基于预测控制器预测的转角信息和驾驶员操作输入转角差异构建车辆保持规划路径行驶的触觉引导力与驾驶员输入的操纵力进行融合；将驾驶员操纵力和基于预测信息构建的触觉引导力对车辆横向运动的影响程度作为融合权值系数的选取指标，实现驾驶员操作和自动控制器之间的平滑协作，提高了车辆操纵的智能与安全。
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参考文献（略）
1.1 课题来源
本课题源于国家重点研发计划“高机动应急救援车辆（含消防车辆）专用底盘及悬挂关键技术研究”（编号：2016YFC0802902）及吉林省汽车零部件创新平台资助项目“有触觉引导的大型特种车辆驾驶辅助系统”。本文的具有力/触觉引导的车辆驾驶辅助转向控制研究，首先，研究了基于任务规划机制的操纵装置触觉引导力的生成方法；其次，设计了基于驾驶员的人手操纵力和触觉引导力融合控制的力/触觉辅助转向接口，旨在建立驾驶员智能控制决策和车辆自主导航的接口，实现驾驶时方向盘对驾驶员驾驶行为的力觉引导，提高车辆操纵的智能与安全。
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1.2 本文的研究背景及意义
随着汽车工业的迅速发展，道路上的车辆越来越多，这使得相应的问题也随之而来：道路交通压力越来越大，交通事故频繁发生。根据资料[1]显示，2015 年末，全国民用汽车保有量达到 17228 万辆，比上年末增长 11.5%；民用轿车保有量 9508 万辆，增长 14.6%；交通事故万车死亡人数为 2.22 人。驾驶员分心是可能导致或导致车祸的许多人为因素之一，因此行车安全受到了全社会的广泛关注。根据美国国家公路交通安全管理局（NHTSA）[2]的统计数据显示，在 2010 年，20%车辆碰撞事故是由驾驶员分心引起，在 2012 年，驾驶员分心导致 3328 人死亡，421,000 人受伤。如何提高车辆的安全性减少与这些碰撞相关的损失已经成为乘用、商用车辆研究和设计中的主要问题。 传统的车辆在转向过程中，驾驶员主要依靠视觉信息来指导其操纵行为。尽管车辆配备有多个后视镜以改善视野，但由于车身较大，驾驶员仍存在视觉盲区。一些技术人员通过在车辆两侧设置摄像头，驾驶室设置显示器来解决此问题，但右转时驾驶员需全面观察路况信息，不能仅关注显示器图像，容易造成顾此失彼，留下更大隐患。随着汽车转向技术的发展，线控转向技术由于取消了方向盘和转向车轮之间的机械连接，通过控制力感模拟电机和转向电机来实现方向盘力反馈和车辆转向，所以是一种具有力反馈的“遥操作”系统。因此，本课题将遥操作领域的力/触觉引导控制技术引入车辆的操纵装置，开发新型车辆驾驶辅助系统和模拟平台，实现车辆驾驶时通过方向盘产生对驾驶员行为的力觉信息提示，减少驾驶员的分心，从而培养驾驶员更好的驾驶决策意识。 车载主动安全技术是汽车驾驶辅助系统的重要组成部分，其目的是消除事故隐患，提前告诉驾驶员即将遇到的障碍，是兼顾智能交通和智能车辆的综合技术应用。新的传感器及测量技术允许现代车辆感知周围的环境，线控转向技术是一种具有力反馈的“遥操作”系统又具备了车辆主动转向的潜力。因此，将遥操作领域的力/触觉引导控制技术引入车辆操纵装置，在方向盘处通过触觉反馈辅助驾驶员正确和及时的操纵是一种可行的方式。此外，与基于听觉和视觉辅助驾驶技术相比，使用触觉的方式将信息传递给驾驶员能够为驾驶员提供更有效和较少的干扰驾驶辅助，因此，在许多车载应用中被认为是一种最优的方式。
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第 2 章力/触觉辅助转向操纵系统的组成及工作原理
2.1 引言
车辆转向系统主要实现两个功能：一是驾驶员可以通过操作方向盘使车辆按照自己的控制意图进行转向；二是将轮胎与路面之间的相互作用力通过机械传动机构反馈到方向盘，提供驾驶员转向力感[45,49]。基于力/触觉辅助转向操纵系统除具有常规转向系统的功能外，还应该能够将控制器根据车辆行驶状态构建的引导力，通过控制反馈电机输出映射到操纵机构上来辅助驾驶员，进行正确和及时的转向。 力/触觉辅助转向操纵模拟系统需要力/触觉辅助转向接口、车辆动力学仿真子系统及视景仿真子系统共同实现其辅助转向功能。其中，力/触觉辅助转向接口通过其扭矩传感器和角度传感器实时采集驾驶员作用在方向盘上的力和转角信息，并将采集到的信息通过网络通信传输到动力学仿真系统；动力学仿真子系统一方面根据接收到的信息响应驾驶员的操作，另一方面将车辆与地面交互产生的交互力、构建的虚拟引导力反馈到转向操纵系统辅助驾驶员进行操作；视景仿真子系统则根据动力学仿真系统传递的信息实时更新车辆的姿态给驾驶员以视觉反馈。此外，加速、制动踏板控制虚拟车辆的加速与制动效果，系统示意图如图 2.1 所示。
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2.2 力/触觉辅助转向接口辅助转向功能设计
本课题所搭建的力/触觉辅助转向操纵系统取消了转向轮及附带的传动机构，驾驶员的转向动作直接通过信号采集系统转化为数字信号传输到动力学仿真系统控制虚拟视景中的车辆运动，方向盘上将不存在反馈信息，这失去了驾驶的实车感觉，因此需要设计一个力/辅助转向接口不仅能对方向盘提供反馈力矩，而且其控制系统能够将构建的虚拟引导力实时反馈给方向盘，使驾驶员不仅能够感受到与真实车辆相近的驾驶感觉，而且能够给驾驶员提供适当的驾驶辅助。力/触觉辅助转向接口需要实现以下几个功能： （1）驾驶员转动方向盘，力/触觉辅助转向接口上的传感器能够实时检测方向盘上的转角和力矩信号。 （2）力/触觉辅助转向接口具有限位、回正功能。限位是指转向操作时方向盘转动角度的限制，通常包括 ±720°（即方向盘左转两圈，右转两圈），±540°（方向盘左右各转一圈半）。回正是指车辆在行驶过程中，驾驶员转动方向盘转到一定角度后松开，方向盘会自动回正到中位。 （3）上位机控制器能够将检测得到的方向盘转动角度和扭矩信号实时传送给车辆动力学仿真系统； （4）上位机控制器能够实时接收来自动力学仿真系统传输的车辆运动状态参数及地面参数，并能够通过合适的算法构建虚拟引导力。 （5）车辆动力学仿真系统能够与转向操纵系统、视景仿真系统、加速制动踏板实时通信。
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第 3 章力/触觉辅助转向接口建模及参数辨识 .....23
3.1 引言 ......23
3.2 力/触觉辅助转向接口建模 .........24
3.3 力/触觉辅助转向接口参数辨识 .........26
3.4 本章小结 ......29
第 4 章基于改进 RRT 算法的车辆行驶路径规划 .........31
4.1 引言 ......31
4.2 RRT 算法的基本原理 .........32
4.2.1 环境空间陈述 ........ 32
4.2.2 RRT 算法的基本原理 ........... 33
4.3 非完整性约束系统及车辆模型 ..........35
4.3.1 非完整系统约束 .... 35
4.3.2 非完整性约束车辆模型........ 35
4.4 基于车辆运动约束的改进 RRT 算法 ........37
4.4.1 车辆动力学模型的集成........ 38
4.4.2 度量函数的选取 .... 41
4.5 本章小结 ......42
第 5 章基于预测信息的转向共享控制方法研究 ..........43
5.1 引言 ......43
5.2 基于模型预测控制的路径跟随控制器设计 ......43
5.3 基于预测信息的转向共享控制策略 ..........48
5.4 本章小结 ......51
第 5 章基于预测信息的转向共享控制方法研究
5.1 引言
本章首先在第四章规划的车辆行驶路径的基础上，以控制车辆无偏差的跟踪期望路径为目标，设计模型预测控制器进行路径跟踪；其次，基于预测控制器预测输入和驾驶员操作输入的转角差异构建车辆保持规划路径行驶的触觉引导力；在此基础上，研究了作用在方向盘操纵装置上的虚拟引导力与驾驶员操纵力融合的转向共享控制方法。 虚拟引导力通过方向盘操纵装置一方面为驾驶员提供预见性的触觉和力觉信息提示，另一方面应保证不妨碍驾驶员正常的操作意图，为实现这一目标需研究方向盘操纵装置的人-机共享控制方法。由于驾驶员与车辆自动控制器同时作用在方向盘操纵装置上，因此两者必须要意识到彼此的动作，这意味着双向通信是必要的。控制器通过传感器采集驾驶员施加在转向系统上的扭矩信号以分析驾驶员的意图，同时驾驶员能够通过转向操纵系统感受反馈的虚拟引导力用于理解控制器的行为[76]。通过在操纵装置上采用虚拟引导力与驾驶员操纵力融合的共享控制方法，以虚拟引导力为导向，将控制器自主控制与驾驶员手动控制相结合，实现人类智能与车辆智能共同作用下车辆的安全驾驶。
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总结
针对车辆驾驶领域中存在操作性与安全性的问题，本课题提出了一种具有力/触觉引导的车辆驾驶辅助转向控制研究。首先，研究了基于任务规划机制的操纵装置触觉引导力的生成方法，即通过基于车辆运动约束的改进 RRT 算法规划车辆的最佳转向避障路径，基于模型预测控制设计了路径跟踪的预测控制器控制车辆沿期望转向路径的路径跟踪，根据预测得到的转角相对于驾驶员实际输入的转角差异构建车辆保持期望路径行驶的虚拟引导力；其次，设计了一种具有力/触觉辅助转向接口，该装置具有一定的主动性和自主性，在该装置的操作空间内采用将虚拟引导力、操纵力、车辆与路面交互的交互力进行融合控制的人机共享控制方法，在方向盘处给驾驶员以触觉反馈，旨在为驾驶员提供预见性的触觉信息提示，提高车辆操纵的智能与安全。 本文的重点研究工作如下：
（1）根据力/触觉辅助转向的接口的功能需求和控制流程，设计了具有回正及限位功能的机械机构，并详细的介绍了力觉交互处理模块、电机驱动模块、加速制动踏板模块。
（2）建立了所设计辅助转向接口从力感电机到方向盘的数学模型；此外，采用最小二乘法根据系统输入输出参数估测了系统模型中的未知机械参数。
（3）采用改进的 RRT 算法规划车辆行驶的最佳转向避障路径。该算法在RRT 框架中结合车辆自身的非完整性约束和动力学模型，引入目标偏向的思想和适合车辆转向的度量函数，从而生成平滑的且能够用于路径跟踪的可执行轨迹。
（4）以控制车辆无偏差的跟踪规划的路径为目标，设计了模型预测控制器；在此基础上，提出了一种基于预测信息的转向共享控制策略，即将基于预测控制器预测的转角信息和驾驶员操作输入转角差异构建车辆保持规划路径行驶的触觉引导力与驾驶员输入的操纵力进行融合；将驾驶员操纵力和基于预测信息构建的触觉引导力对车辆横向运动的影响程度作为融合权值系数的选取指标，实现驾驶员操作和自动控制器之间的平滑协作，提高了车辆操纵的智能与安全。
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参考文献（略）
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