英语原文共 14 页
Sensors 2013, 13, 4485-4498; doi:10.3390/s130404485
OPENACCESS sensors
ISSN 1424-8220 www.mdpi.com/journal/sensors
文章
带有触觉转向限制牵引装置的被动多拖车车辆的驾驶员辅助系统
Jesus Morales, Anthony Mandow, Jorge L. Martacute; acute;ınez *, Antonio J. Reina and Alfonso Garcacute;ıa-Cerezo
Dpto. Ingenieracute;ıa de Sistemas y Automatica, Universidad de Macute; alaga, 29071 Macute; alaga, Spain;acute; E-Mails: jesus.morales@uma.es (J.M.); amandow@uma.es (A.M.); ajreina@uma.es (A.J.R.); ajgarcia@uma.es (A.G.-C.)
* Author to whom correspondence should be addressed; E-Mail: jlmartinez@uma.es; Tel.: 34-951-952-322.
Received: 4 October 2012; in revised form: 8 March 2013 / Accepted: 26 March 2013 / Published: 3 April 2013
摘要：一个或多个被动式拖车的驾驶车辆，由于单元间碰撞、弯折和能见度不足，在前进和后退运动中都存在困难。因此，用于多拖车组合的高级驾驶员辅助系统（ADAS）有助于避免事故发生以及提高驾驶员的舒适性。本文所提出的ADAS旨在通过触觉操纵轮来防止不安全的转向指令。此外，在倒车时，方向盘和踏板可以像从最后一辆拖车的后部驾驶车辆一样，通过后视摄像头进行视觉辅助。这种解决方案可以在带挂接角传感器的线控车辆中实现，它得益于作者先前开发的两种方法：通过对引导单元应用曲率限制来实现安全转向，以及针对反向运动的虚拟拖拉机概念，其中包括通过轴上碰撞传播的设定点的复杂情况。本文论述了系统的要求，并给出了履带式移动机器人牵引和推拉两种不同拖车的两种不同轴上和轴下组合遥控操作的具体实现方法。
关键词：驾驶员辅助系统；铰接式车辆；曲率限制；虚拟拖拉机；拖车；钢丝驱动；避免弯折
1.引言
先进的驾驶员辅助系统（ADAS）作为提高驾驶员舒适性和安全性的关键技术，越来越受到人们的重视。 这是一个广泛的研究领域，包括自适应巡航控制[1]、导航[2]和车辆感知[3]、行人[4]或交通标志[5]。ADAS的一个共同特点是使用摄像机[6,7]和其他传感器[8]来提高驾驶员的感知能力。此外，线控驱动系统[9]允许实现触觉人机界面，如驱动方向盘[10,11]。配备一个或多个拖车的车辆，如货车或货物和乘客的多体组合，也可以从ADAS中受益，因为即使是熟练驾驶员，其操纵也很复杂[12,13]。推拉拖车时挂接装置的位置是相关联的[14]：如果挂接装置位于前一单元的后轴上，则挂接装置为“轴上”，否则为“轴下”。例如，大多数大篷车都有一个被动的非轴挂接装置。此外，在机场行李运输车和旅游公路列车等车辆中，被动式轴上和轴外拖车的组合较为常见，这些车辆的货车通常由前后轴上拖车和后轴上拖车组成（见图1）。
图1 多拖车系统示例：机场（左）和旅游公路列车（右）中的行李运输车。
在向前行驶时，驾驶员必须小心转向，以避免单元间碰撞[15]。向后，避免弯折是一个基准非线性控制问题，已经通过反馈线性化[16]、模糊控制[17,18]或开关控制[19]来解决。然而，这些理论方法中的许多很难实施和调整[20,21]，因此需要实际的解决方案[22,23]。从这个意义上说，驾驶员辅助是一个重要的实际应用[12]，尤其是因为多个被动拖车的辅助倒车变得非常困难（如果不是不可能的话）。触觉手轮是转向辅助的有效界面[10]。因此，机动方向盘被用作车道偏离[24]和道路障碍物[25]的警告机制。此外，力反馈还可以改善驾驶员的转向操作，该性能已应用于车道保持[26]、适应危险路况[27]和倒车停车[28]。除了弯折外，铰接式车辆的驾驶员在测量车辆后部时存在困难，这不仅增加了向后操纵的复杂性，而且危及行人和其他道路使用者。车载摄像头系统提供盲点监控[29]和停车辅助[6,7]的解决方案。准确地说，后视摄像头被用于增强卡车和拖车中驾驶员的感知能力[30,31]。尽管存在这些转向和感知困难，但很少有工作专注于铰接式和多铰接式车辆的ADAS。转向拖车的反馈和前馈控制有助于驾驶员减少长卡车的跑偏[13]。对于被动式拖车，提出了一种神经网络预测器来帮助驾驶员预测弯折情况[32]。此外，在[12]中提出的ADAS结合了运动控制和驾驶员界面，以推动同种非轴被动拖车与一辆反向汽车。最近，我们提出了一种ADAS系统，用于带非轴拖车的后向机动[33]，该系统集成了曲率限制和虚拟拖拉机概念[34]。进一步的理论发展扩展了虚拟拖拉机转向，解决了通过轴上挂接装置传播设定点的困难，这是无法直接实现的[35,36]。
本文的主要贡献是通过将[36]合并到一个综合的线控驱动ADAS解决方案中来完成[33]，该解决方案可用于带轴和非轴拖车组合的倒车和前进操作。通过触觉方向盘向驾驶员传递曲率限制，可以防止不安全的转向指令。相反，操纵轮和踏板可以像从最后一辆拖车（即虚拟拖拉机）的后面驾驶车辆一样使用，通过后视摄像头提供视觉帮助。这一新的ADAS已被实施远程操作两个不同的轴下和轴上组合的跟踪移动机器人拉和推一对不同的拖车。论文的组织结构如下。第2节讨论了多拖车ADAS的要求。第3节描述了两拖车机器人车辆的案例研究，其中ADAS已经实现，并讨论了实验结果。最后，第4节给出了结论和未来的工作。
图2 多拖车ADAS概念概述
2. 驾驶员辅助系统要求
本节讨论多拖车ADAS的传感器和其他硬件要求。从驾驶员的角度来看，ADAS规范如下：
- 它应允许向前和向后行驶，并结合轴上和轴下拖车，而不需要驾驶员注意单元间碰撞或弯折。
- 驾驶员应通过方向盘了解曲率限制。
- 倒车时可以像从最后一辆拖车向前行驶一样进行。
这些规范涉及所有驾驶员辅助类别[28]：增强驾驶员感知的认知辅助；与车辆运动控制相关的移动辅助，以及支持驾驶员充分操作的操作辅助。拟议的ADAS解决方案（如图2所示）涉及每种类别的不同技术要求，如下所述。
2.1. 认知辅助
从最后一辆拖车的角度倒车需要视觉帮助。为此，必须将摄像机放在最后一个拖车的后面，以便在仪表板屏幕上显示视频图像（见图2）。如果多拖车配置发生变化，无线摄像头将允许简单而灵活的设置[31]。此外，云台变焦（PTZ）摄像头可以从驾驶员的显示屏进行调整。将摄像头安装在头顶位置可以提高铰接车辆后面区域的透视效果，最后一辆拖车的一部分可以作为参考包含在图像中。在向前运动过程中，可以停用显示器，以避免分散驾驶员的注意力[37]。这一停用不适用于遥控车辆，也需要一个前视摄像头。
2.2. 移动辅助
通过将最后一辆拖车视为具有向前移动的非完整约束的虚拟拖拉机，可以实现铰接车辆的向后运动控制[34,36]。通过视觉反馈，车辆可以像驾驶员坐在最后一辆拖车中一样向后行驶。
为此，必须使用线控驱动（即踏板、倒车/前进档选择器和方向盘）。此外，还需要一个嵌入式处理器与驱动程序控件接口，并实时转换运动命令（见图2）。
将虚拟线性速度和曲率设定点转换为实际车辆的控制输入需要从最后一辆拖车开始的运动传播。通过轴上拖车的传播有一个由比例控制法引入的瞬态，这对于轴外拖车是不必要的[36]。在任何情况下，传播都取决于挂接装置角度的当前值。因此，有必要使用适当的传感器（例如编码器或电位计）连续测量这些角度，并将其传输至嵌入式控制器。
2.3. 操作辅助
首次提出对单轴多拖车系统施加恒定曲率限制，以防止前进运动中的单元间碰撞[15]。这是为了获得虚拟拖拉机的曲率限制，以避免向后移动中的弯折[34]。在这两种情况下，对于给定的铰接车辆配置，曲率限制是离线计算的。
获得导向装置曲率极限 plusmn;gamma;m 的程序包括两个阶段。 首先，利用挂接装置的运动学参数和力学极限，对从最后一个单元开始的递归边界曲率进行稳态研究。然后，通过考虑多拖车系统执行器动力学和非最小相位响应的仿真瞬态分析，对该结果进行了改进。
提出的曲率限制方法考虑了拖拉机的差速驱动转向[15,34]，在这种情况下，零转弯半径是可能的。由于大多数商用车辆都使用具有机械曲率约束的阿克曼转向，因此必须适当调整该方法的适用性。在正向情况下，选择了[15]中提出的计算和机械约束之间的最严格限制。在后向运动中，通过使用机械拖拉机极限来初始化稳态研究，可以将计算虚拟拖拉机曲率极限[34]的程序推广到Ackermann转向。
通过使用带力反馈的触觉方向盘，可以将曲率限制合并到ADAS中，以便驾驶员感觉到这些限制就好像它们是机械限制一样（见图2）。嵌入式处理器根据铰接式车辆的实际配置及其运动方向来安排不同的限制。
为了实现曲率限制 plusmn;gamma;m, 必须在触觉方向盘角度theta;中定义一个边界plusmn;theta;m。 这样，从theta;开始计算超前装置的曲率设定点gamma;s，如下所示：
(1)
此外，力反馈可以告知驾驶员接近手轮极限。因此，驱动器在plusmn;theta;m范围内施加的扭矩tau;可指定为对中弹簧-阻尼效应：
tau; = b, ktheta; (2)
式中，J是手轮的转动惯量，b是动摩擦系数，k是刚度系数。
3. 案例研究
3.1. Auriga-alpha;和两辆拖车
已对所提议的ADAS系统进行了测试，以远程操作带有两个单轴被动拖车（一个承载架和一个喷雾器）的被跟踪Auriga-alpha;移动机器人（见图3）。通过手动重新定位第一个拖车的轴，第二个拖车可以在轴上或轴外。通过这种方式，测试了两种不同的配置：关闭/关闭（两个接头都在轴外）和关闭/打开（第二个接头在轴上）。运动参数如图3所示，其中第一个拖车的轴与其后悬挂装置之间的零距离未显示在关闭/打开配置中。
Auriga-alpha;重258kg，长1.24m，宽0.75m，高0.84m。两个带增量轴编码器的齿轮直流电机提供滑动转向运动。已获得一个近似的差分驱动运动模型[38]，用于里程估计和控制。车辆的最大速度（1 m/s）只能在直线运动中实现。车载数字信号处理器（DSP）每10毫秒控制一次电机速度，每30毫秒提供一次里程数据。
挂接装置角度通过单元间牵引线位移传感器测量。对于第一辆和第二辆拖车，挂接装置的机械单元间碰撞极限分别为theta;1m =plusmn;68◦和theta;2m =plusmn;43.6◦。表1显示了每辆拖车配置和运动方向的牵引装置的曲率限制gamma;m。关于这些常数的获得的详细信息，可以在[15]中找到，在[34]中找到。
图3 Auriga-alpha;两辆拖车，带轴外/轴外（左）和轴外/轴上（右）设置，带有运动参数和前后IP摄像头的位置。插图：相机细节。
表1 导向装置的曲率限制gamma;m取决于运动方向和拖车配置
|
前部 |
后部 |
|
|
外/外 轴 |
0.44 mminus;1 |
0<em 资料编号：[4302]</em |
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