Система автоматического управления траекторным движением транспортного средства с функцией курсовой устойчивости
AUTOMATIC CONTROL SYSTEM OF TRAJECTORY MOVEMENT OF VEHICLE WITH FUNCTION OF TRAVEL STABILITY

Изобретение относится к области автоматического управления движением (в частности, траекторным движением) колесных транспортных средств (далее для краткости называемых автомобилями).
Известна система автоматического управления траекторным движением транспортного средства (патент CN 106080596 A, 2016 г.), включающая разомкнутый контур, который базируется на модели динамики курсового движения автомобиля, и замкнутый контур, который основан на регуляторе, работающем по принципу управления, эквивалентного скользящему режиму (или аналогично этому типу управления). Поверхность скольжения определяется отклонением от заданной опорной траектории движения, его первой производной по времени, его интегралом, а также текущей фактической скоростью рыскания автомобиля. Сумма сигналов разомкнутого и замкнутого контуров формирует управляющий сигнал угла поворота рулевого колеса, требуемого для обеспечения движения по заданной траектории. К недостаткам данной системы относится использование математической модели динамики автомобиля, параметры которой должны быть идентифицированы в процессе движения автомобиля, что создает вычислительные трудности, может быть неточным и в результате снижать эффективность работы регулятора. Другим недостатком является использование управления, эквивалентного скользящему режиму, которое, в отличие от реального скользящего режима, требует идентификации параметров объекта управления и измерения внешних возмущений, что может быть технически недостижимым для бортовой системы управления транспортного средства. Также недостатком системы является использование фактической скорости рыскания автомобиля в качестве параметра, минимизируемого регулятором, поскольку это может препятствовать нормальному траекторному маневрированию автомобиля.
Другая система автоматического траекторного управления транспортным средством, описанная в патенте CN 107831761 А (2018 г.), основана на регуляторе, который обеспечивает равенство текущего фактического курсового угла автомобиля требуемому курсовому углу. Последний рассчитывается на основании бокового отклонения автомобиля от заданной траектории, а также учитывает боковой увод автомобиля. Регулятор курсового угла основан на управлении, эквивалентном скользящему режиму. На выходе регулятора формируется команда угла поворота рулевого колеса, необходимого для обеспечения требуемого курсового угла автомобиля. Недостатком данном изобретения, так же как и в предыдущем аналоге, является использование управления, эквивалентного скользящему режиму, что требует идентификации параметров модели движения автомобиля и оценки внешних возмущений. Ошибки этой идентификации, вероятность которых повышается при движении по дорогам с переменным коэффициентом сцепления, приведут к ухудшению качества работы системы траекторного управления, что может выразиться в неточном отслеживании траектории и снижении курсовой устойчивости автомобиля.
Другая система, описанная в патенте CN 108791289 A (2018 г.), сходна с предыдущим аналогом с основной разницей в том, что для регулирования траекторного движения используется боковое отклонение автомобиля от опорной траектории. Система обладает теми же основными недостатками, что и предыдущий аналог.
Наиболее близким аналогом (прототипом) изобретения является система автоматического управления траекторным движением и обеспечения курсовой устойчивости беспилотного транспортного средства (патент US 9,796,421 В1, 2017 г.), включающая два регулятора, из которых первый (primary path controller) осуществляет траекторное управление автомобилем в случае его устойчивого движения, а второй (secondary path controller) берет на себя управление автомобилем в ситуациях, требующих специального управления для поддержания курсовой устойчивости. Основным входным сигналом регуляторов является отклонение автомобиля от опорной траектории движения, задаваемой блоком планирования пути (path planning). Отклонение рассчитывается с использованием сигналов информационной измерительной системы автомобиля и системы спутниковой навигации, которой оснащен автомобиль. Эти данные передаются в вычислительные блоки системы управления с помощью шины данных автомобиля. Общим выходным сигналом двух регуляторов является команда угла поворота рулевого колеса (steering angle). Она рассчитывается специальной функцией (gain scheduling function) с использованием угла поворота рулевого колеса, рассчитанного каждым из двух регуляторов, а также величины угла дрейфа автомобиля (vehicle sideslip angle). Оба регулятора основаны на использовании математической модели динамики курсового движения автомобиля и отличаются друг от друга способом представления этой модели. Для идентификации параметров модели, используемых в регуляторах, используется блок «наблюдатель» (observer-estimator), также основанный на данной модели, но использующий ее в другой конфигурации. Степень задействования каждого их двух регуляторов зависит от величины угла дрейфа автомобиля, который определяется путем косвенной идентификации. Сопоставляя его текущее значение с пороговыми значениями (sideslip angle thresholds), заданными в памяти системы управления, алгоритм рассчитывает степень использования каждого из регуляторов.
Недостатком описанной системы управления является наличие ряда параметров математической модели движения автомобиля, а также параметров системы управления, которые не могут быть измерены, и в этой связи определяются расчетным путем, который может давать неточные результаты, особенно в сложных условиях движения, например, при переменном коэффициенте сцепления шин с дорогой. Неточный расчет этих параметров может снижать эффективность работы регуляторов траекторного движения. Другим недостатком является повышенная вычислительная нагрузка на процессорные устройства, используемые в системе управления, обусловленная необходимостью обсчета в реальном времени достаточно громоздких математических моделей, лежащих в основе регуляторов и «наблюдателя». Высокая вычислительная нагрузка может препятствовать использованию системы управления при повышенных скоростях движения автомобиля.
Задача, решаемая настоящим изобретением, направлена на реализацию системы автоматического управления траекторным движением автомобиля (транспортного средства), которая адаптируется к различным эксплуатационным условиям и обеспечивает курсовую устойчивость автомобиля.
Технический результат, получаемый при использовании изобретения, заключается в реализации адаптивности системы управления траекторным движением к любым условиям движения автомобиля и его физическим и/или конструктивным параметрам без необходимости измерения или косвенной идентификации этих условий движения и параметров.
Другой технический результат состоит в повышении устойчивости автоматического траекторного движения автомобиля с предотвращением заносов и снижением степени сносов в поворотах, в том числе на поверхностях с низким и меняющимся коэффициентом сцепления.
Другой технический результат состоит в снижении вычислительной нагрузки на процессорные устройства, с помощью которых система автоматического управления реализуется в составе транспортного средства (автомобиля).
Заявленные технические результаты достигаются тем, что в системе автоматического управления траекторным движением транспортного средства с функцией курсовой устойчивости, включающей два регулятора, входы которых соединены с блоком задания опорной траектории, а общий выход - с входом регулятора рулевого управления, включающей блок расчета траекторного отклонения, связанный с информационно-измерительной системой автомобиля с помощью шины данных автомобиля и со спутниковой навигационной системой, согласно изобретению в первом регуляторе вход первого усилительного звена соединен с первым выходом блока расчета траекторного отклонения сигналом траекторного отклонения, вход второго усилительного звена соединен со вторым выходом блока расчета траекторного отклонения сигналом первой производной траекторного отклонения, вход третьего усилительного звена соединен со третьим выходом блока расчета траекторного отклонения сигналом второй производной траекторного отклонения, выход первого усилительного звена соединен с первым входом первого сумматора, выход второго усилительного звена соединен со вторым входом первого сумматора, выход третьего усилительного звена соединен с третьим входом первого сумматора, выход первого сумматора соединен с входом релейного элемента, выход релейного элемента соединен с входом усилителя релейного элемента, выход усилителя релейного элемента соединен с первым входом первого интегрирующего звена, выход первого интегрирующего звена соединен с первым входом второго интегрирующего звена, выход второго интегрирующего звена соединен с входом регулятора рулевого управления и является выходом первого регулятора. Кроме того, второй регулятор построен на основе первого путем добавления кинематической модели движения автомобиля, вход которой соединен с шиной данных автомобиля сигналами фактической продольной скорости автомобиля и фактического угла поворота рулевого колеса, выход которой соединен со вторым входом второго сумматора, первый, инвертирующий, вход которого соединен с шиной данных автомобиля сигналом фактической скорости рыскания автомобиля, и добавления блока курсовой устойчивости, вход которого соединен с выходом второго сумматора, а выход соединен с четвертым, инвертирующим, входом первого сумматора.
В частных случаях реализации изобретения используется блок расчета ограничений управления, входы которого соединены с выходами блока расчета траекторного отклонения и с шиной данных автомобиля, первый выход соединен со вторым входом первого интегрирующего звена сигналом ограничения первой производной команды угла поворота рулевого колеса, а второй выход соединен со вторым входом второго интегрирующего звена сигналом ограничения команды угла поворота рулевого колеса.
На фиг. 1 приведена схема предлагаемой системы автоматического управления.
x
РУ
z
z
p.к.
0
x
z
1
2
3
z
x
z
z
z
z
р.к.
x
кмд
кмд
В предлагаемой системе автоматического управления объектом управления является автомобиль 1 в аспекте его траекторного движения. Автомобиль включает рулевое управление 2 - устройство, создающее поворачивающий момент, который определяет характеристики траекторного движения автомобиля. Считается, что рулевое управление 2 включает ведущее звено, которое ниже условно называется рулевым колесом (фактически рулевое колесо может отсутствовать, при этом ведущим звеном рулевого управления является рулевой вал). Ведомым звеном рулевого управления являются управляемые колеса автомобиля, которые непосредственно создают поворачивающий момент. Ведущее и ведомое звенья соединены передаточным звеном, которое называется рулевым механизмом. Автомобиль 1 также включает бортовую информационно-измерительную систему 3 (ИИС), которая измеряет и рассчитывает параметры его движения и параметры работы его агрегатов. Информация об этих параметрах может быть получена из шины данных автомобиля 4 (шины данных обозначены на фиг. 1 двойными линиями, что подчеркивает наличие в одной шине нескольких сигналов). В частности, в ней содержатся сигналы фактической продольной скорости автомобиля V, фактического угла поворота рулевого колеса δ и фактической скорости рыскания автомобиля ω. С кузовом автомобиля механически соединена спутниковая навигационная система 5 (СНС), которая способна определять (измерять) координаты автомобиля X, Y и его курсовой угол ψ (угол между одной из осей неподвижной системы координат, связанной с дорогой, и продольной осью автомобиля). Информация об этих параметрах может быть получена из шины данных СНС 6. Автоматическое регулирование рулевого управления 2 (поворот рулевого колеса) осуществляется регулятором рулевого управления (регулятор РУ) 7 посредством управляющего сигнала , который генерируется на выходе регулятора РУ 7 и передается на вход рулевого управления 2. Первый вход регулятора РУ 7 соединен с выходом второго интегрирующего звена 8 сигналом команды угла поворота рулевого колеса . Второй вход регулятора РУ 7 принимает сигнал обратной связи от рулевого управления 2, а именно фактический угол поворота рулевого колеса δ. Первый вход второго интегрирующего звена 8 соединен с выходом первого интегрирующего звена 9 сигналом первой производной команды угла поворота рулевого колеса . Второй вход второго интегрирующего звена 8 соединен с первым выходом блока расчета ограничений управления 10 сигналом предельного значения команды угла поворота рулевого колеса . Первый вход первого интегрирующего звена 9 соединен с выходом усилителя релейного элемента 11 (с коэффициентом усиления k) сигналом второй производной команды угла поворота рулевого колеса . Второй вход первого интегрирующего звена 9 соединен со вторым выходом блока расчета ограничений управления 10 сигналом предельного значения первой производной команды угла поворота рулевого колеса . Первый вход блока расчета ограничений управления 10 соединен с шиной данных автомобиля 4 сигналами фактической продольной скорости автомобиля V и фактической скорости рыскания автомобиля ω. Второй вход блока расчета ограничений управления 10 соединен с первым выходом блока расчета траекторного отклонения 13 сигналом величины отклонения от опорной траектории Δ. Вход усилителя релейного элемента 11 соединен с выходом релейного элемента 12 выходным сигналом релейного элемента r. Вход релейного элемента 12 соединен с выходом первого сумматора 14 сигналом поверхности скольжения γ. Первый вход первого сумматора 14 соединен с выходом первого усилительного звена 15 с коэффициентом усиления k. Второй вход первого сумматора 14 соединен с выходом второго усилительного звена 16 с коэффициентом усиления k. Третий вход первого сумматора 14 соединен с выходом третьего усилительного звена 17 с коэффициентом усиления k. Четвертый, инвертирующий, вход первого сумматора 14 соединен с выходом блока курсовой устойчивости 18 сигналом корректирующего воздействия ƒ(Δω). Вход первого усилительного звена 15 соединен с первым выходом блока расчета траекторного отклонения 13 сигналом величины отклонения автомобиля от опорной траектории Δ. Вход второго усилительного звена 16 соединен со вторым выходом блока расчета траекторного отклонения 13 сигналом величины первой производной отклонения автомобиля от опорной траектории . Вход третьего усилительного звена 17 соединен с третьим выходом блока расчета траекторного отклонения 13 сигналом величины второй производной отклонения автомобиля от опорной траектории . Первый вход блока расчета траекторного отклонения 13 соединен с выходом блока задания опорной траектории 19 сигналом, содержащим информацию о координатах опорной траектории Х, Y. Второй вход блока расчета траекторного отклонения 13 соединен с шиной данных автомобиля 4 сигналами фактической продольной скорости автомобиля V и фактической скорости рыскания автомобиля ω. Третий вход блока расчета траекторного отклонения 13 соединен с шиной данных СНС 6 сигналом, содержащим информацию о координатах Х, Y и курсовом угле ψ автомобиля. Вход блока курсовой устойчивости 18 соединен с выходом второго сумматора 20 сигналом отклонения скорости рыскания Δω. Первый, инвертирующий, вход второго сумматора 20 соединен с шиной данных автомобиля 4 сигналом фактической скорости рыскания автомобиля ω. Второй вход второго сумматора 20 соединен с выходом блока кинематической модели движения автомобиля 21 сигналом расчетной скорости рыскания . Вход блока кинематической модели движения автомобиля 21 соединен с шиной данных автомобиля 4 сигналами фактического угла поворота рулевого колеса δ и фактической продольной скорости автомобиля V.
Сочетание блоков 8, 9, 11, 12, 14-17 (блоки на фиг. 1, охваченные контуром со штрихпунктирной линией) является регулятором траекторного движения автомобиля и далее называется первым регулятором 22. Сочетание блоков 8, 9, 11, 12, 14-18, 20 и 21 (блоки на фиг. 1, охваченные контуром с пунктирной линией) является регулятором траекторного движения автомобиля с функцией курсовой устойчивости и ниже называется вторым регулятором 23.
Структура описываемой системы автоматического управления допускает использование производных отклонения от опорной траектории Δ порядка выше второго. В этом случае должны быть добавлены соответствующие выходы из блока расчета траекторного отклонения 13, которые соединяются с дополнительными усилительными звеньями, выходы которых соединяются с дополнительными входами первого сумматора 14. Также структура системы допускает использование более двух интегрирующих звеньев на выходе из усилителя релейного элемента 11. В этом случае дополнительные интегрирующие звенья соединяются последовательно, располагаясь между выходом усилителя релейного элемента 11 и первым входом интегрирующего звена 9. Также в этом случае могут быть использованы ограничения управляющих сигналов для дополнительных интегрирующих звеньев. Для этого блок ограничения управляющих сигналов 10 должен быть снабжен дополнительными выходами, которые соединяются со вторыми входами дополнительных интегрирующих звеньев; также блок ограничения управляющих сигналов 10 должен быть снабжен средствами расчета этих дополнительных ограничений.
Блок задания опорной траектории 19 может содержать информацию об опорной траектории (т.е. траектории, по которой должно выполняться движение автомобиля) в виде числового массива координат. Блок задания опорной траектории 19 может быть дополнен блоком приема сигналов от ведущего автомобиля, если за ним в автоматическом режиме следует автомобиль 1, оснащенный описываемой системой автоматического управления.
Блок расчета траекторного отклонения 13 может рассчитывать линейное или угловое отклонение автомобиля от опорной траектории Δ. Блок расчета траекторного отклонения 13 может содержать функцию комплексирования навигационных данных, служащую для улучшения качества расчета траекторного отклонения.
В качестве кинематической модели движения автомобиля в блоке 21 может быть использована любая известная модель, связывающая входные и выходные сигналы блока 21. Кинематическая модель может учитывать малый боковой увод или не учитывать боковой увод. Для обеспечения независимости системы управления от условий движения и неизвестных параметров автомобиля кинематическая модель не должна учитывать боковой увод.
z
z
Вместо кинематической модели движения автомобиля 21 и второго сумматора 20, рассчитывающих отклонение скорости рыскания Δω, может использоваться другая кинематическая модель движения автомобиля, рассчитывающая разность углов увода передних и задних колес, которая пропорциональна отклонению скорости рыскания Δω.
z
z
Блок курсовой устойчивости 18 ставит в соответствие рассчитанному отклонению скорости рыскания Δω корректирующее воздействие ƒ(Δω), пропорциональное этому отклонению. Для получения этого корректирующего воздействия может быть использовано одно из известных решений из области автоматического управления, например, линейный или нелинейный регулятор, блок нечеткой логики, искусственная нейронная сеть и т.д.
x
z
Блок расчета ограничений управления 10 может содержать функции, ограничивающие команды скорости  и угла  поворота рулевого колеса в зависимости от параметров траекторного движения автомобиля 1, например, от его фактической продольной скорости V, фактической скорости рыскания ω и отклонения от опорной траектории Δ.
Описание работы системы
1
2
3
x
р.к.
z
z
z
z
z
z
0
р.к.
Блок задания опорной траектории 19 передает координаты опорной траектории в блок расчета траекторного отклонения 13. В случае задания опорной траектории ведущим автомобилем информационно-измерительная система, которой он оборудован, передает его координаты в блок задания опорной траектории 19. С помощью сигналов блока задания опорной траектории 19 и сигналов из шин данных автомобиля 4 и СНС 6 блок расчета траекторного отклонения 13 рассчитывает линейное или угловое отклонение автомобиля от опорной траектории Δ (или от траектории движения ведущего автомобиля), а также его первую  и вторую  производные (при необходимости и технической возможности могут быть рассчитаны производные более высоких порядков). Сигналы рассчитанного отклонения автомобиля от опорной траектории Δ и его производных  выходят из блока расчета траекторного отклонения 13 и проходят через усилительные звенья с коэффициентами усиления k, k, k. Результирующие усиленные сигналы поступают на первый, второй и третий входы первого сумматора 14 (при наличии производных отклонения порядка выше второго используются дополнительные усилительные звенья и дополнительные входы первого сумматора 14). Одновременно блок кинематической модели движения автомобиля 21 выполняет расчет скорости рыскания автомобиля , которая имела бы место в случае его движения без увода или с малым уводом при текущих фактических значениях продольной скорости V и угла поворота рулевого колеса δ, поступающих из шины данных автомобиля 4. Полученная в результате расчетная скорость рыскания  поступает во второй вход второго сумматора 20, а в его первый, инвертирующий, вход поступает фактическая скорость рыскания автомобиля ω, полученная из шины данных автомобиля 4. На выходе второго сумматора 20 формируется разность между расчетной скоростью рыскания  и фактической скоростью рыскания ω, называемая отклонением скорости рыскания Δω. Эта разность характеризует боковой увод автомобиля, точнее она пропорциональна разности углов увода передней и задней осей автомобиля, характеризующей его поворачиваемость, которая может использоваться как индикатор склонности автомобиля к потере курсовой устойчивости и/или управляемости (заносу или сносу). Отклонение скорости рыскания Δω передается в блок курсовой устойчивости 18, который рассчитывает корректирующее воздействие ƒ(Δω) с помощью заложенной в него функции, регулятора или алгоритма. Корректирующее воздействие ƒ(Δω) передается в четвертый, инвертирующий, вход первого сумматора 14. Сумма всех сигналов, входящих в первый сумматор 14, формирует сигнал поверхности скольжения γ, который передается на вход релейного элемента 12. Релейный элемент 12 представляет собой известный тип вычислительного элемента, который в зависимости от знака входного сигнала (в данном случае сигнала поверхности скольжения γ) выдает на своем выходе либо +1 (если входной сигнал положительный), либо -1 (если входной сигнал отрицательный). Выходной сигнал релейного элемента 12 передается в усилитель релейного элемента 11, который умножает этот сигнал на постоянный коэффициент k достаточно большой величины, необходимой для обеспечения приемлемой рабочей частоты переключений релейного элемента 12. Выходной сигнал усилителя релейного элемента 11 передается в последовательно соединенные интегрирующие звенья - сначала в первое 9, а затем во второе 8. Выход второго интегрирующего звена 8 используется как команда угла поворота рулевого колеса . Сигнал на выходе из первого интегрирующего звена 9 соответствует первой производной команды угла поворота рулевого колеса , а сигнал на выходе из усилителя релейного элемента 11 соответствует второй производной команды угла поворота рулевого колеса . Команда угла поворота рулевого колеса  выполняется посредством регулятора РУ 7, который сравнивает ее с сигналом обратной связи δ, поступающим из рулевого управления 2 в его второй вход, и создает управляющее воздействие , поворачивающее рулевое колесо на требуемый угол . В свою очередь, рулевое управление 2 создает поворачивающий момент, который направляет автомобиль 1 в сторону опорной траектории (или траектории ведущего автомобиля), уменьшая таким образом траекторное отклонение Δ.
Блок расчета ограничений управления 10, используя поступающие в его входы сигналы, рассчитывает предельные значения команд угла поворота рулевого колеса  и его производной  (производных - в случае наличия дополнительных интегрирующих звеньев между усилителем релейного элемента 11 и первым интегрирующим звеном 9). Эти предельные значения передаются в интегрирующие звенья 8, 9, тем самым ограничивая их выходные сигналы в соответствии с текущими условиями движения автомобиля.
р.к.
z
z
z
При увеличении бокового увода во время траекторного маневрирования автомобиля 1 увеличивается его отклонение от опорной траектории Δ. Чтобы компенсировать это отклонение, первый регулятор 22 стремится больше поворачивать рулевое колесо в сторону опорной траектории. При достаточно большом уводе это действие может не только не уменьшить отклонение автомобиля от опорной траектории Δ, но и наоборот увеличить его, поскольку поворот рулевого колеса на большой угол увеличивает боковой увод. В определенных условиях данное компенсирующее действие первого регулятора 22 может вызвать также и потерю устойчивости курсового движения автомобиля 1. В этой связи скорость поворота рулевого колеса  и угол δ, на который оно поворачивается, должны ограничиваться по мере роста увода, несмотря на то, что это противоречит точному отслеживанию траектории. В настоящем изобретении данное ограничение реализуется посредством второго регулятора 23. При увеличении отклонения скорости рыскания Δω (что эквивалентно увеличению бокового увода) блок курсовой устойчивости 18 усиливает сигнал ƒ(Δω) на своем выходе. Поскольку этот сигнал подключен к инвертирующему входу первого сумматора 13, он уменьшает воздействие первого регулятора 22, снижая приоритет точного отслеживания траектории и повышая приоритет устойчивого курсового движения автомобиля 1. Таким образом, использование второго регулятора 23 позволяет устанавливать баланс точности отслеживания траектории и курсовой устойчивости движения автомобиля 1. При малом боковом уводе превалирует точность отслеживания траектории. При росте бокового увода повышается влияние блока курсовой устойчивости 18. При особенно большом боковом уводе действие блока курсовой устойчивости 18 превалирует, и автомобиль 1 может существенно (но кратковременно) отклониться от заданной траектории, но при этом он сохранит устойчивость движения. По мере уменьшения бокового увода корректирующее воздействие ƒ(Δω) уменьшается, и автомобиль 1 возвращается на опорную траекторию.