CN113428142B - 一种路径跟踪前馈控制方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种路径跟踪前馈控制方法和装置，该方法包括：步骤1，获取车辆状态信息；步骤2，根据所述车辆状态信息，确定用于抵消稳态横向误差的前馈控制量；步骤3，根据得到的所述前馈控制量实现车辆的横向控制。本发明实施例提供的方案中，利用基于打击中心建模的路径跟踪控制***的稳态误差模型得到的稳态误差表达式，得到可以抵消稳态横向误差的前馈控制量，从而可以消除弯道工况下路径跟踪控制***的稳态误差，提升路径跟踪精度。

Description

一种路径跟踪前馈控制方法和装置
技术领域
本发明涉及自动驾驶车辆横向控制技术领域，特别是关于一种路径跟踪前馈控制方法和装置。
背景技术
车辆横向控制问题作为无人驾驶车辆运动控制研究的核心技术，一直受到国内外学者的关注。它反映的是一种使无人驾驶车辆平稳、精确地沿着预定的期望轨迹行驶的能力。汽车的横向运动本身就是一个强非线性***，又和纵向运动、轮胎、荷载存在着很强的耦合效应，现有的二自由度整车动力学模型与小角度侧偏轮胎模型虽然可以解决一些简单工况下的横向控制问题，但无法应对更为复杂的路面环境。
发明内容
本发明的目的在于提供一种路径跟踪前馈控制方法和装置，来克服或至少减轻现有技术的上述缺陷中的至少一个。
为实现上述目的，本发明实施例提供一种路径跟踪前馈控制方法，包括：
步骤1，获取车辆状态信息；
步骤2，根据所述车辆状态信息，利用下式(1)确定用于抵消稳态横向误差的前馈控制量：
Figure BDA0003164155350000011
其中，Fyf_feedforword表示前馈控制量，K3表示预设比例系数，es_yaw表示稳态横摆角误差，cr表示路径曲率，lr表示质心距后轴的距离，m表示车辆的质量，vx表示纵向车速，Ax表示纵向加速度，xcop表示车辆撞击中心位置，L表示车辆的前后轴距，δ表示前轮转角；
其中，
Figure BDA0003164155350000021
其中，lf为质心距前轴的距离，Cr为后轮轮胎侧偏刚度，kr为表征轮胎非线性特性的系数；
步骤3，根据得到的所述前馈控制量实现车辆的横向控制。
优选的，所述K3为***控制增益矩阵的第3列元素。
优选的，所述***控制增益矩阵为通过LQR(linearquadraticregulator，线性二次型调节器)***得到的矩阵。
优选的，步骤3包括：将所述前馈控制量与反馈控制量相加，得到最终控制量，使用所述最终控制量实现车辆的横向控制。
优选的，所述反馈控制量为车辆状态向量与预设比例系数的积。
优选的，所述式(1)是基于下述设置得到的：
建立以
Figure BDA0003164155350000022
为车辆状态向量，以前轮侧偏力Fyf为***控制输入的状态方程：
Figure BDA0003164155350000023
其中：
Figure BDA0003164155350000024
式中，
Figure BDA0003164155350000025
表示车辆状态向量的导数，Cr为后轮轮胎侧偏刚度，cr为路径曲率，kr为表征轮胎非线性特性的系数，ecop为基于车辆撞击中心的横向误差，Fyf为前车轮的侧偏力，Iz为车辆绕z轴的转动惯量，s为参考路径，
Figure BDA0003164155350000026
为航向偏差，L′＝lr+xcop，vx为纵向车速，r为横摆角速度，lf为质心距前轴的距离，lr为质心距后轴的距离，xcop为车辆撞击中心位置；
令
Figure BDA0003164155350000031
Figure BDA0003164155350000032
Figure BDA0003164155350000033
则得到在状态反馈下用于闭环横向控制***的状态空间模型：
Figure BDA0003164155350000034
其中，K为***控制增益矩阵，cr为路径曲率。
优选的，步骤3包括：
利用下式获取反馈控制量：
Fyf_feedback＝-Kx
将所述反馈控制量Fyf_feedback与所述前馈控制量Fyf_feedforword求和得到前轮侧偏力：
Fyf＝Fyf_feedback+Fyf_feedforword
利用所述前轮侧偏力实现车辆的横向控制。
优选的，闭环***的状态空间模型表示为：
Figure BDA0003164155350000037
通过拉普拉斯变换并令***初始状态为零得到
X(s)＝(sI-(A-BK))-1(BL(Fyf_feedforword)+DL(cr))
其中，L(Fyf_feedforword)与L(cr)分别为Fyf_feedforword与cr的拉普拉斯变换，X(s)为关于复变量s的函数，I为单位矩阵；
令所述前馈控制量为常值，所述前馈控制量的拉普拉斯变换为
Figure BDA0003164155350000035
得到稳态横向误差:
Figure BDA0003164155350000036
通过符号运算，得到稳态误差表达式为：
Figure BDA0003164155350000041
其中，Ki为为***控制增益矩阵中第i列元素，Ax为纵向加速度；
基于所述稳态误差表达式得到所述式(2)和所述式(1)。
本发明实施例还提供一种路径跟踪前馈控制装置，包括：
获取模块，用于获取车辆状态信息；
确定模块，用于根据所述车辆状态信息，利用下式(1)确定用于抵消稳态横向误差的前馈控制量：
Figure BDA0003164155350000042
其中，Fyf_feedforword表示前馈控制量，K3表示预设比例系数，es_yaw表示稳态横摆角误差，cr表示路径曲率，lr表示质心距后轴的距离，m表示车辆的质量，vx表示纵向车速，Ax表示纵向加速度，xcop表示车辆撞击中心位置，L表示车辆的前后轴距，δ表示前轮转角；
其中，
Figure BDA0003164155350000043
其中，lf为质心距前轴的距离，Cr为后轮轮胎侧偏刚度，kr为表征轮胎非线性特性的系数；
控制模块，用于根据得到的所述前馈控制量实现车辆的横向控制。
本发明实施例由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
利用基于打击中心建模的路径跟踪控制***的稳态误差模型得到的稳态误差表达式，得到可以抵消稳态横向误差的前馈控制量，从而可以消除弯道工况下路径跟踪控制***的稳态误差，提升路径跟踪精度。
附图说明
图1示出本发明实施例提供的路径跟踪前馈控制方法的流程示意图。
图2示出本发明实施例所应用的前馈控制量的计算公式的确定方法的流程示意图。
图3示出本发明实施例提供的路径跟踪前馈控制装置的结构示意图。
具体实施方式
在附图中，使用相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“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保护范围的限制。
在不冲突的情况下，本发明各实施例及各实施方式中的技术特征可以相互组合，并不局限于该技术特征所在的实施例或实施方式中。
下面结合附图以及具体实施例对本发明做进一步的说明，需要指出的是，下面仅以一种最优化的技术方案对本发明的技术方案以及设计原理进行详细阐述，但本发明的保护范围并不仅限于此。
本发明实施例提供一种路径跟踪前馈控制方法，应用于自动驾驶车辆。该自动驾驶车辆包括车辆转向***、导航***(例如组合惯性导航***)、工控机与车辆底层线控***。当然，自动驾驶车辆还可以包括其它构造，此处不再赘述。
本发明实施例提供一种路径跟踪前馈控制方法。图1示出该路径跟踪前馈控制方法的流程示意图，包括：
步骤110，获取车辆状态信息，包括车辆横摆角、质量、纵向车速、纵向加速度、车轮转角。
在一个示例中，车辆横摆角、纵向车速、纵向加速度通过组合惯性导航***获得，车辆质量通过质量传感器获得，车轮转角通过车辆CAN总线信号反馈得到。
步骤120，根据获取的车辆状态信息，利用下式计算用于抵消稳态横向误差的前馈控制量：
Figure BDA0003164155350000061
其中，Fyf_feedforword表示前馈控制量，K3表示预设比例系数，例如为***控制增益矩阵的第3列元素，es_yaw表示稳态横摆角误差，cr表示路径曲率，lr表示质心距后轴的距离，m表示车辆的质量，vx表示纵向车速，Ax表示纵向加速度，xcop表示车辆撞击中心位置，L表示车辆的前后轴距，δ表示前轮转角。
其中，***控制增益矩阵、稳态横摆角误差和车辆撞击中心位置为业内术语，***控制增益矩阵为通过LQR(linearquadratic regulator，线性二次型调节器)***得到的矩阵；稳态横摆角误差为数值保持不变的横摆角误差；车辆撞击中心位置为车辆后轮侧偏力引起的车身横向加速度与横摆角加速度可以互相抵消的位置。
其中，
Figure BDA0003164155350000062
其中，lf为质心距前轴的距离，Cr为后轮轮胎侧偏刚度，kr为表征轮胎非线性特性的系数。
步骤130，根据计算得到的前馈控制量实现车辆的横向控制。
优选的，将前馈控制量与反馈控制量结合，得到***最终的控制量，以消除***的稳态横向误差。其中，反馈控制量为车辆状态向量与预设比例系数的积，该预设比例系数例如为上述***控制增益矩阵。其中，将前馈控制量与反馈控制量结合包括：将前馈控制量与反馈控制量相加。
图2示出本发明实施例所应用的上述前馈控制量的计算公式的确定方法。
如图2所示，该方法包括：
步骤210，建立“前馈+反馈”下用于基于撞击中心建模的路径跟踪控制***的稳态误差模型。
步骤220，基于稳态误差表达式设计可以抵消稳态横向误差的前馈控制量。
下面对上述两个步骤进行详细说明。
在步骤210中，建立以
Figure BDA0003164155350000071
为车辆状态向量，以前轮侧偏力Fyf为***控制输入的状态方程，即稳态误差模型：
Figure BDA0003164155350000072
其中：
Figure BDA0003164155350000073
式中，
Figure BDA0003164155350000074
表示车辆状态向量的导数，Cr为后轮轮胎侧偏刚度，cr为路径曲率，kr为表征轮胎非线性特性的系数，ecop为基于车辆撞击中心的横向误差，Fyf为前车轮的侧偏力，Iz为车辆绕z轴的转动惯量，s为参考路径，
Figure BDA0003164155350000075
为航向偏差，L′＝lr+xcop，vx为纵向车速，r为横摆角速度，lf为质心距前轴的距离，lr为质心距后轴的距离，xcop为车辆撞击中心位置。
令
Figure BDA0003164155350000076
Figure BDA0003164155350000077
Figure BDA0003164155350000078
则在状态反馈下用于闭环横向控制***的状态空间模型可表示为：
Figure BDA0003164155350000079
其中，K为LQR***的控制增益矩阵，cr为路径曲率。
假设前轮侧偏力可由状态反馈控制量Fyf_feedback加前馈控制量Fyf_feedforword得到：
Fyf＝Fyf_feedback+Fyf_feedforword
Fyf_feedback＝-Kx
则闭环***的状态空间模型可表示为：
Figure BDA0003164155350000081
采用Laplace(拉普拉斯)变换，假设***初始状态为零，可得：
X(s)＝(sI-(A-BK))-1(BL(Fyf_feedforword)+DL(cr))
式中L(Fyf_feedforword)与L(cr)分别为Fyf_feedforword与cr的Laplace变换，X(s)为关于复变量s的函数，I为单位矩阵。
假设前馈控制量是常值，那么它的Laplace变换为
Figure BDA0003164155350000082
利用终值定理，稳态横向误差可表示为：
Figure BDA0003164155350000083
通过符号运算得到稳态误差表达式为：
Figure BDA0003164155350000084
其中，Ki为为LQR***的控制增益矩阵中第i列元素，Ax为纵向加速度。
在步骤220中，稳态横摆角误差可表示为：
Figure BDA0003164155350000085
可以抵消稳态横向误差的前馈控制量为：
Figure BDA0003164155350000086
由公式，可得：
Figure BDA0003164155350000087
其中航向角误差
Figure BDA0003164155350000088
本发明实施例提供一种路径跟踪前馈控制装置，用于实现上述方法实施例中各步骤。图3示出该路径跟踪前馈控制装置的结构示意图，如图3所示，包括：
获取模块10，用于获取车辆状态信息；
确定模块20，用于根据所述车辆状态信息，利用下式(1)确定用于抵消稳态横向误差的前馈控制量：
Figure BDA0003164155350000091
其中，Fyf_feedforword表示前馈控制量，K3表示预设比例系数，es_yaw表示稳态横摆角误差，cr表示路径曲率，lr表示质心距后轴的距离，m表示车辆的质量，vx表示纵向车速，Ax表示纵向加速度，xcop表示车辆撞击中心位置，L表示车辆的前后轴距，δ表示前轮转角；
其中，
Figure BDA0003164155350000092
其中，lf为质心距前轴的距离，Cr为后轮轮胎侧偏刚度，kr为表征轮胎非线性特性的系数；
控制模块30，用于根据得到的所述前馈控制量实现车辆的横向控制。
优选的，所述K3为***控制增益矩阵的第3列元素。
优选的，所述***控制增益矩阵为通过LQR(linearquadraticregulator，线性二次型调节器)***得到的矩阵。
优选的，步骤3包括：将所述前馈控制量与反馈控制量相加，得到最终控制量，使用所述最终控制量实现车辆的横向控制。
优选的，所述反馈控制量为车辆状态向量与预设比例系数的积。
优选的，所述式(1)是基于下述设置得到的：
建立以
Figure BDA0003164155350000093
为车辆状态向量，以前轮侧偏力Fyf为***控制输入的状态方程：
Figure BDA0003164155350000094
其中：
Figure BDA0003164155350000101
式中，
Figure BDA0003164155350000102
表示车辆状态向量的导数，Cr为后轮轮胎侧偏刚度，cr为路径曲率，kr为表征轮胎非线性特性的系数，ecop为基于车辆撞击中心的横向误差，Fyf为前车轮的侧偏力，Iz为车辆绕z轴的转动惯量，s为参考路径，
Figure BDA0003164155350000103
为航向偏差，L′＝lr+xcop，vx为纵向车速，r为横摆角速度，lf为质心距前轴的距离，lr为质心距后轴的距离，xcop为车辆撞击中心位置；
令
Figure BDA0003164155350000104
Figure BDA0003164155350000105
Figure BDA0003164155350000106
则得到在状态反馈下用于闭环横向控制***的状态空间模型：
Figure BDA0003164155350000107
其中，K为***控制增益矩阵，cr为路径曲率。
优选的，步骤3包括：
利用下式获取反馈控制量：
Fyf_feedback＝-Kx
将所述反馈控制量Fyf_feedback与所述前馈控制量Fyf_feedforword求和得到前轮侧偏力：
Fyf＝Fyf_feedback+Fyf_feedforword
利用所述前轮侧偏力实现车辆的横向控制。
优选的，闭环***的状态空间模型表示为：
Figure BDA0003164155350000108
通过拉普拉斯变换并令***初始状态为零得到
X(s)＝(sI-(A-BK))-1(BL(Fyf_feedforword)+DL(cr))
其中，L(Fyf_feedforword)与L(cr)分别为Fyf_feedforword与cr的拉普拉斯变换，X(s)为关于复变量s的函数，I为单位矩阵；
令所述前馈控制量为常值，所述前馈控制量的拉普拉斯变换为
Figure BDA0003164155350000111
得到稳态横向误差:
Figure BDA0003164155350000112
通过符号运算，得到稳态误差表达式为：
Figure BDA0003164155350000113
其中，Ki为为***控制增益矩阵中第i列元素，Ax为纵向加速度；
基于所述稳态误差表达式得到所述式(2)和所述式(1)。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。本领域的普通技术人员应当理解：可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种路径跟踪前馈控制方法，其特征在于，包括：
步骤1，获取车辆状态信息；
步骤2，根据所述车辆状态信息，利用下式(1)确定用于抵消稳态横向误差的前馈控制量：
Figure FDA0003164155340000011
其中，Fyf_feedforword表示前馈控制量，K3表示预设比例系数，es_yaw表示稳态横摆角误差，cr表示路径曲率，lr表示质心距后轴的距离，m表示车辆的质量，vx表示纵向车速，Ax表示纵向加速度，xcop表示车辆撞击中心位置，L表示车辆的前后轴距，δ表示前轮转角；
其中，
Figure FDA0003164155340000012
其中，lf为质心距前轴的距离，Cr为后轮轮胎侧偏刚度，kr为表征轮胎非线性特性的系数；
步骤3，根据得到的所述前馈控制量实现车辆的横向控制。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述K3为***控制增益矩阵的第3列元素。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述***控制增益矩阵为通过LQR(linearquadratic regulator，线性二次型调节器)***得到的矩阵。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3包括：
将所述前馈控制量与反馈控制量相加，得到最终控制量，使用所述最终控制量实现车辆的横向控制。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，其中，所述反馈控制量为车辆状态向量与预设比例系数的积。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述式(1)是基于下述设置得到的：
建立以
Figure FDA0003164155340000021
为车辆状态向量，以前轮侧偏力Fyf为***控制输入的状态方程：
Figure FDA0003164155340000022
其中：
Figure FDA0003164155340000023
式中，
Figure FDA0003164155340000024
表示车辆状态向量的导数，Cr为后轮轮胎侧偏刚度，cr为路径曲率，kr为表征轮胎非线性特性的系数，ecop为基于车辆撞击中心的横向误差，Fyf为前车轮的侧偏力，Iz为车辆绕z轴的转动惯量，s为参考路径，
Figure FDA0003164155340000025
为航向偏差，L′＝lr+xcop，vx为纵向车速，r为横摆角速度，lf为质心距前轴的距离，lr为质心距后轴的距离，xcop为车辆撞击中心位置；
令
Figure FDA0003164155340000026
则得到在状态反馈下用于闭环横向控制***的状态空间模型：
Figure FDA0003164155340000027
其中，K为***控制增益矩阵，cr为路径曲率。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤3包括：
利用下式获取反馈控制量：
Fyf_feedback＝-Kx
将所述反馈控制量Fyf_feedback与所述前馈控制量Fyf_feedforword求和得到前轮侧偏力：
Fyf＝Fyf_feedback+Fyf_feedforword
利用所述前轮侧偏力实现车辆的横向控制。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，闭环***的状态空间模型表示为：
Figure FDA0003164155340000031
通过拉普拉斯变换并令***初始状态为零得到
X(s)＝(sI-(A-BK))-1(BL(Fyf_feedforword)+DL(cr))
其中，L(Fyf_feedforword)与L(cr)分别为Fyf_feedforword与cr的拉普拉斯变换，X(s)为关于复变量s的函数，I为单位矩阵；
令所述前馈控制量为常值，所述前馈控制量的拉普拉斯变换为
Figure FDA0003164155340000032
得到稳态横向误差:
Figure FDA0003164155340000033
通过符号运算，得到稳态误差表达式为：
Figure FDA0003164155340000034
其中，Ki为***控制增益矩阵中第i列元素，Ax为纵向加速度；
基于所述稳态误差表达式得到所述式(2)和所述式(1)。
9.一种路径跟踪前馈控制装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取车辆状态信息；
确定模块，用于根据所述车辆状态信息，利用下式(1)确定用于抵消稳态横向误差的前馈控制量：
Figure FDA0003164155340000035
其中，Fyf_feedforword表示前馈控制量，K3表示预设比例系数，es_yaw表示稳态横摆角误差，cr表示路径曲率，lr表示质心距后轴的距离，m表示车辆的质量，vx表示纵向车速，Ax表示纵向加速度，xcop表示车辆撞击中心位置，L表示车辆的前后轴距，δ表示前轮转角；
其中，
Figure FDA0003164155340000041
其中，lf为质心距前轴的距离，Cr为后轮轮胎侧偏刚度，kr为表征轮胎非线性特性的系数；
控制模块，用于根据得到的所述前馈控制量实现车辆的横向控制。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述式(1)是基于下述设置得到的：
建立以
Figure FDA0003164155340000042
为车辆状态向量，以前轮侧偏力Fyf为***控制输入的状态方程：
Figure FDA0003164155340000043
其中：
Figure FDA0003164155340000044
式中，
Figure FDA0003164155340000045
表示车辆状态向量的导数，Cr为后轮轮胎侧偏刚度，cr为路径曲率，kr为表征轮胎非线性特性的系数，ecop为基于车辆撞击中心的横向误差，Fyf为前车轮的侧偏力，Iz为车辆绕z轴的转动惯量，s为参考路径，
Figure FDA0003164155340000046
为航向偏差，L′＝lr+xcop，vx为纵向车速，r为横摆角速度，lf为质心距前轴的距离，lr为质心距后轴的距离，xcop为车辆撞击中心位置；
令
Figure FDA0003164155340000051
则得到在状态反馈下用于闭环横向控制***的状态空间模型：
Figure FDA0003164155340000052
其中，K为***控制增益矩阵，cr为路径曲率。
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