CN111497872A - 一种自动生成偏离因子修正轨迹漂移的方法 - Google Patents

一种自动生成偏离因子修正轨迹漂移的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种自动生成偏离因子修正轨迹漂移的方法，应用一种汽车自动驾驶监测***获取环境参数和车辆参数；将所获取的参数导入对应的修正函数，得出修正后的轨迹运行过程。本发明所述的一种自动生成偏离因子修正轨迹漂移的方法，用车辆航向角速度跟踪路径，通过控制车辆横摆角速度相对于航向角速度的快慢，同时镇定质心侧偏角修正轨迹漂移。

Description

一种自动生成偏离因子修正轨迹漂移的方法
技术领域
本发明属于自动驾驶技术领域，尤其是涉及一种自动生成偏离因子修正 轨迹漂移的方法。
背景技术
近年来，自动驾驶技术的研究愈发深入。自动驾驶技术可以减低乘客的 驾驶负担，此外半自动的辅助驾驶的驾驶辅助控制***的相关研究也日渐成 熟。但是，自动驾驶一般只在道路情况良好的环境下。此前，曾有关于车辆 状态在漂移平衡点下的镇定研究，但是同时跟踪路径和镇定质心侧偏角及其 困难。如果只跟踪路径，对其它量进行定量测试，则轨迹相对单一，测试结 果对实际使用没有参考意义。
现有技术中，关于漂移的研究都使用了在大范围内精确的车辆模型，但 在运动方程的模型精度和可控性之间取得平衡，仍需进一步研究。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在克服上述现有技术中存在的缺陷，提出一种自动 生成偏离因子修正轨迹漂移的方法。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种汽车自动驾驶监测***，包括环境监测单元、车辆监测单元、控制 单元；
所述环境监测单元用于获取车辆所处环境的环境参数，车辆监测单元用 于获取车辆的车辆参数；
所述环境监测单元和车辆监测单元连接控制单元，所述控制单元连接有 汽车控制***。
进一步的，所述环境监测单元包括第一模数转换器及与其连接的若干环 境监测设备；所述环境监测设备包括但不限于前视雷达和后视雷达、邻近区 域雷达、远处区域雷达和多模式雷达、前视激光雷达、后视激光雷达、超声 波传感器、红外线相机、图像处理相机、高分辨率GPS。
进一步的，所述车辆监测单元包括第二模数转换器及与其连接的若干车 辆监测设备；所述车辆监测设备包括但不限于陀螺仪、速度测量仪、加速传 感器、高分辨率GPS、振动传感器、高度测量仪、转速测量仪、节气门翻板 位置测量仪、转矩测量仪、开关传感器、油箱液位传感器。
一种自动生成偏离因子修正轨迹漂移的方法，包括如下步骤：
f.获取当前环境参数和当前车辆参数；
g.将当前环境参数和当前车辆参数分别导入环境函数和车辆函数，得到 当前环境特征量和当前车辆特征量；
h.获取实时环境参数和实时车辆参数；
i.将环境特征量、车辆特征量、实时环境参数、实时车辆参数导入车辆 漂移轨迹函数；
j.根据车辆漂移轨迹函数控制车辆。
进一步的，包括数据修正函数；所述步骤a中获取多组环境参数和车辆 参数，将环境参数和车辆参数导入修正函数，得到当前环境参数和当前车辆 参数。
进一步的，以道路曲线坐标系下的质心侧偏角误差和侧向位移误差作为 控制目标；具体实现方法如下：
首先在不需要假设特定的车辆模型或车辆状态处于平衡点附近的情况 下，推导出控制器设计所需的动力学模型；
利用漂移时产生的侧偏和横摆动力学解耦：采用车辆航向角速度跟踪路 径，通过控制车辆横摆角速度相对于航向角速度的快慢，可以同时镇定质心 侧偏角。
进一步的，控制器由车辆状态微分推导得到；航向角速度用于跟踪曲线 坐标系下的侧向位移误差，然后控制相对于航向角速度的横摆角速度从而控 制质心侧偏角。
相对于现有技术，本发明具有以下优势：
采用车辆航向角速度跟踪路径，横摆角加速度用于镇定质心侧偏角。通 过非线性模型反演与下层轮速控制相结合，在大范围工况下精确地实现所需 求的状态微分。在全尺寸车辆上进行的实车试验表明，在不同曲率、速度和 质心侧偏角下可以很好地跟踪轨迹。
专业驾驶员在漂移中可以同时实现对车辆侧滑和行驶路径两者的精确 控制，尽管是完全在车辆稳定性极限范围外操纵的。自动驾驶漂移控制算法 可以将车辆可用状态空间扩展到极限范围外，从而确保自动驾驶车辆最广泛 的机动范围。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的 示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在 附图中：
图1为本发明实施例所述的参考路径曲线坐标系下的三状态单轨模型 示意图；
图2为本发明实施例所述的滑移轮胎的速度和力矢量示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特 征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、 “上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、 “顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示 的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗 示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此 不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述 目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征 的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包 括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的 含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语 “安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也 可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可 以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。 对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明 中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
一种汽车自动驾驶监测***，包括环境监测单元、车辆监测单元、控制 单元；
所述环境监测单元用于获取车辆所处环境的环境参数，车辆监测单元用 于获取车辆的车辆参数；
所述环境监测单元和车辆监测单元连接控制单元，所述控制单元连接有 汽车控制***。
所述环境监测单元包括第一模数转换器及与其连接的若干环境监测设 备；所述环境监测设备包括但不限于前视雷达和后视雷达、邻近区域雷达、 远处区域雷达和多模式雷达、前视激光雷达、后视激光雷达、超声波传感器、 红外线相机、图像处理相机、高分辨率GPS。
所述车辆监测单元包括第二模数转换器及与其连接的若干车辆监测设 备；所述车辆监测设备包括但不限于陀螺仪、速度测量仪、加速传感器、高 分辨率GPS、振动传感器、高度测量仪、转速测量仪、节气门翻板位置测量 仪、转矩测量仪、开关传感器、油箱液位传感器。
一种自动生成偏离因子修正轨迹漂移的方法，包括如下步骤：
k.获取当前环境参数和当前车辆参数；
l.将当前环境参数和当前车辆参数分别导入环境函数和车辆函数，得到 当前环境特征量和当前车辆特征量；
m.获取实时环境参数和实时车辆参数；
n.将环境特征量、车辆特征量、实时环境参数、实时车辆参数导入车辆 漂移轨迹函数；
o.根据车辆漂移轨迹函数控制车辆。
包括数据修正函数；所述步骤a中获取多组环境参数和车辆参数，将环 境参数和车辆参数导入修正函数，得到当前环境参数和当前车辆参数。
所述自动生成偏离因子修正轨迹漂移的方法，利用漂移时产生的侧偏和 横摆动力学解耦：直接采用车辆航向角速度跟踪路径，通过控制车辆横摆角 速度相对于航向角速度的快慢，可以同时镇定质心侧偏角。
所述车辆漂移轨迹函数的理论依据及推导过程如下：需要车辆模型将这 些期望的状态微分映射到输入。通过非线性模型反演与下层的轮速控制相结 合，实现复杂轨迹下大范围工况的良好准确度，而不是依靠过于简化的假设。 在全尺寸测试车辆MARTY(图1)上的试验验证了算法在曲率在1/7到1/20m 间变化和速度在25km/h到45km/h间变化的轨迹以及-40°的质心侧偏角工 况下的有效性。
车辆模型如图1所示，有三个状态变量：横摆角速度r、速度V和质心 侧偏角β。考虑路径跟踪后，引入了其他几个状态变量。车辆航向角φ是 车辆速度矢量在给定的惯性坐标系的方向，φ的动力学方程：
Figure BDA0002499469780000061
利用曲线坐标系使车辆跟踪参考轨迹，侧向位移误差e是车辆质心 到参考轨迹的最近点的距离，s是沿路径到这个点的距离。参考航向角 φref是s处路径相对于惯性坐标系的正切角，航向角误差Δφ＝φ-φref， 是车辆航向角与参考航向角之差。e的动力学方程表示为：
Figure BDA0002499469780000062
Figure BDA0002499469780000063
进行一些简化假设：sinΔφ≈Δφ和
Figure BDA0002499469780000064
由于闭环控制中Δφ逐渐变小，因此假设合理。
最后，
Figure BDA0002499469780000065
的动力学方程为
Figure BDA0002499469780000066
其中kref是参考轨迹在s处的曲率。
基于如图1所示的单轨自行车模型进行非线性车辆模型反演，其中 作用于车辆的力包括前轴侧向力Fyf，后轴侧向力Fyr和后轴纵向力Fxr， 运动方程为：
Figure BDA0002499469780000071
其中δ为转向角，a，b分别是前后轴到质心的距离，m是车辆质量。
改变Rω矢量的长度可以直接改变γ。几何关系为：
Figure BDA0002499469780000072
其中R是轮胎半径，ω是轮速，Vtravelx和Vtravely分别是车辆 在轮胎处速度的纵向和侧向分量。
如图2所示，在完全饱和状态下，***的控制输入，在车轮动力学 ω中表达为：
Figure BDA0002499469780000073
其中Iω是车轮-轮胎-传动***的转动惯量，τ为实际转矩。
在参考轨迹的起始点和末端分别增加简单的进入和退出回旋线，与 现有技术相似的基础路径跟踪控制器使得车辆跟踪此路径。
轨迹是由不稳定漂移平衡点序列构成的。首先，选取期望曲率κref和 质心侧偏角βref，其是关于路径距离s的函数。对于参考轨迹中每个点， 将β＝βref，
Figure BDA0002499469780000081
和
Figure BDA0002499469780000082
代入运动方程求解得到参考轨迹
Figure BDA0002499469780000083
值，参考质心侧偏角
Figure BDA0002499469780000084
近似表示为
Figure BDA0002499469780000085
对复杂轨迹下漂移平衡点的路径跟踪和质心侧偏角镇定研究，保证了自 动驾驶车辆在需要的情况下能够在开环稳定极限外操纵。未来的研究将进一 步考虑在未进行准平衡假设下实现轨迹规划和跟踪，解决车辆状态快速变化 的问题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本 发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在 本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种汽车自动驾驶监测***，其特征在于：包括环境监测单元、车辆监测单元、控制单元；
所述环境监测单元用于获取车辆所处环境的环境参数，车辆监测单元用于获取车辆的车辆参数；
所述环境监测单元和车辆监测单元连接控制单元，所述控制单元连接有汽车控制***。
2.根据权利要求1所述的一种汽车自动驾驶监测***，其特征在于：所述环境监测单元包括第一模数转换器及与其连接的若干环境监测设备；所述环境监测设备包括但不限于前视雷达和后视雷达、邻近区域雷达、远处区域雷达和多模式雷达、前视激光雷达、后视激光雷达、超声波传感器、红外线相机、图像处理相机、高分辨率GPS。
3.根据权利要求1所述的一种汽车自动驾驶监测***，其特征在于：所述车辆监测单元包括第二模数转换器及与其连接的若干车辆监测设备；所述车辆监测设备包括但不限于陀螺仪、速度测量仪、加速传感器、高分辨率GPS、振动传感器、高度测量仪、转速测量仪、节气门翻板位置测量仪、转矩测量仪、开关传感器、油箱液位传感器。
4.一种基于权利要求1所述的一种汽车自动驾驶监测***的自动生成偏离因子修正轨迹漂移的方法，其特征在于：包括如下步骤：
a.获取当前环境参数和当前车辆参数；
b.将当前环境参数和当前车辆参数分别导入环境函数和车辆函数，得到当前环境特征量和当前车辆特征量；
c.获取实时环境参数和实时车辆参数；
d.将环境特征量、车辆特征量、实时环境参数、实时车辆参数导入车辆漂移轨迹函数；
e.根据车辆漂移轨迹函数控制车辆。
5.根据权利要求4所述的一种自动生成偏离因子修正轨迹漂移的方法，其特征在于：包括数据修正函数；所述步骤a中获取多组环境参数和车辆参数，将环境参数和车辆参数导入修正函数，得到当前环境参数和当前车辆参数。
6.根据权利要求4所述的一种自动生成偏离因子修正轨迹漂移的方法，其特征在于：以道路曲线坐标系下的质心侧偏角误差和侧向位移误差作为控制目标；具体实现方法如下：
首先在不需要假设特定的车辆模型或车辆状态处于平衡点附近的情况下，推导出控制器设计所需的动力学模型；
利用漂移时产生的侧偏和横摆动力学解耦：采用车辆航向角速度跟踪路径，通过控制车辆横摆角速度相对于航向角速度的快慢，可以同时镇定质心侧偏角。
7.根据权利要求6所述的一种自动生成偏离因子修正轨迹漂移的方法，其特征在于：控制器由车辆状态微分推导得到；航向角速度用于跟踪曲线坐标系下的侧向位移误差，然后控制相对于航向角速度的横摆角速度从而控制质心侧偏角。
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