无人驾驶车辆及其横向控制方法、电子设备转让专利
申请号 : CN202010998546.6
文献号 : CN112046504B
文献日 : 2021-11-09
发明人 : 朱早贝 , 吕金桐 , 张磊
申请人 : 北京易控智驾科技有限公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种无人驾驶车辆的横向控制方法,其特征在于,包括:获取预瞄点的位置序列,包括:
根据所述无人驾驶车辆的实时车速和当前期望轨迹的曲率确定预瞄点个数N,N为正整数;
根据所述实时车速确定N个参考点的位置序列,所述N个参考点位于所述无人驾驶车辆的当前行驶方向上;
确定所述当前期望轨迹上距离所述N个参考点中各个参考点的距离最近的点为横向控制的预瞄点,得到包含N个预瞄点的位置序列;
根据所述无人驾驶车辆相对于N个预瞄点中每个预瞄点的位置偏差期望圆周曲率、航向偏差期望圆周曲率和轨迹曲率期望圆周曲率来确定加权期望圆周曲率;以及根据所述加权期望圆周曲率确定方向盘转角以及期望转角速度,以控制方向盘的转动,实现横向控制,其中,所述方向盘转角满足以下表达式:其中,θ表示方向盘转角;α表示车轮转角;rratio表示转向传动比;L表示轴距;bestrow表示加权期望圆周曲率;vnow表示无人驾驶车辆的实时车速;vch表示无人驾驶车辆的特征车速,特征车速用于表征车辆影响转向控制的非线性特性;
所述期望转角速度满足以下表达式:其中,n表示期望转角速度;Kη表示系数,大于0;vmax表示无人驾驶车辆的最大行驶速度;
nmax表示转向系统的最大转角速度。
2.根据权利要求1所述的横向控制方法,其特征在于,所述根据所述无人驾驶车辆的实时车速和当前期望轨迹的曲率确定预瞄点个数N,包括:根据实时车速值和当前期望轨迹的最大曲率计算得到第一数量;
预先设定预瞄点最少个数为第二数量,所述第二数量大于1;以及确定所述第一数量和所述第二数量中较大的一个为所述预瞄点个数N。
3.根据权利要求1所述的横向控制方法,其特征在于,所述根据所述实时车速确定N个参考点的位置序列,包括:
根据实时车速值计算得到参考点零点距离所述无人驾驶车辆的当前位置的距离,以得到参考点零点的位置;以及
根据设定的时间段内所述无人驾驶车辆以实时车速行驶对应得到的距离按照第i个参考点占据总个数N的比值划分得到各个参考点距离参考点零点的位置,以得到N个参考点的位置,其中i=1,2,……,N。
4.根据权利要求1所述的横向控制方法,其特征在于,所述根据所述无人驾驶车辆相对于N个预瞄点中每个预瞄点的位置偏差期望圆周曲率、航向偏差期望圆周曲率和轨迹曲率期望圆周曲率来确定加权期望圆周曲率,包括:确定N个预瞄点中各个预瞄点的期望圆周权重系数Ki,i=1,2,……,N;其中,根据所述期望圆周权重系数Ki和N个预瞄点中各个预瞄点的位置偏差期望圆周曲率Rowi1、航向偏差期望圆周曲率Rowi2和轨迹曲率期望圆周曲率Rowi3确定加权位置偏差期望圆周曲率bestrow1、加权航向偏差期望圆周曲率bestrow2和加权轨迹曲率期望圆周曲率bestrow3;
确定位置偏差权重系数KShare1、航向偏差权重系数KShare2和曲率圆周权重系数KShare3,其中KShare1+KShare2+KShare3=1;以及根据加权位置偏差期望圆周曲率bestrow1、加权航向偏差期望圆周曲率bestrow2、加权轨迹曲率期望圆周曲率bestrow3、位置偏差权重系数KShare1、航向偏差权重系数KShare2和曲率圆周权重系数KShare3确定加权期望圆周曲率bestrow。
5.根据权利要求1或4所述的横向控制方法,其特征在于,还包括:确定所述无人驾驶车辆相对于N个预瞄点中每个预瞄点的位置偏差期望圆周曲率、航向偏差期望圆周曲率和轨迹曲率期望圆周曲率;
其中,确定所述无人驾驶车辆相对于N个预瞄点中每个预瞄点的位置偏差期望圆周曲率,包括:根据所述无人驾驶车辆的当前位置和第i个预瞄点的位置确定所述无人驾驶车辆相对于第i个预瞄点的位置偏差期望圆周曲率Rowi1,i=1,2,……,N;
确定所述无人驾驶车辆相对于N个预瞄点中每个预瞄点的航向偏差期望圆周曲率,包括:根据所述无人驾驶车辆的当前航向和第i个预瞄点的航向正切值确定所述无人驾驶车辆相对于第i个预瞄点的航向偏差期望圆周曲率Rowi2;
确定所述无人驾驶车辆相对于N个预瞄点中每个预瞄点的轨迹曲率期望圆周曲率,包括:根据所述无人驾驶车辆的当前位置和第i个预瞄点对应的轨迹曲率确定所述无人驾驶车辆相对于第i个预瞄点的轨迹曲率期望圆周曲率Rowi3。
6.根据权利要求5所述的横向控制方法,其特征在于,所述位置偏差期望圆周曲率Rowi1满足以下表达式:其中,xi‑path表示第i个预瞄点的位置的横坐标;yi‑path表示第i个预瞄点的位置的纵坐标;xnow表示无人驾驶车辆的当前位置的横坐标;ynow表示无人驾驶车辆的当前位置的纵坐标,A、B和C为系数;
所述航向偏差期望圆周曲率Rowi2满足以下表达式:其中,Tani‑path表示当前期望轨迹上第i个预瞄点的正切值;ψ表示参数;E、F和G为系数;
所述轨迹曲率期望圆周曲率Rowi3满足以下表达式:其中,ξi‑path表示当前期望轨迹上第i个预瞄点的轨迹曲率;M为系数。
7.根据权利要求4所述的横向控制方法,其特征在于,所述确定位置偏差权重系数KShare1、航向偏差权重系数KShare2和曲率圆周权重系数KShare3,包括:根据预设的位置偏差速度下限、位置偏差速度上限、与所述位置偏差速度下限对应的位置偏差权重系数下限、与所述位置偏差速度上限对应的位置偏差权重系数上限以及无人驾驶车辆的实时车速确定位置偏差权重系数KShare1,所述位置偏差权重系数KShare1满足以下表达式:
其中,vShareLow1表示位置偏差速度下限;vShareUp1表示位置偏差速度上限;KShareLow1表示与所述位置偏差速度下限vShareLow1对应的位置偏差权重系数下限;KShareUp1表示与所述位置偏差速度上限vShareUp1对应的位置偏差权重系数上限;vnow,表示无人驾驶车辆的实时车速;
根据预设的航向偏差速度下限、航向偏差速度上限、与所述航向偏差速度下限对应的航向偏差权重系数下限、与所述航向偏差速度上限对应的航向偏差权重系数上限以及无人驾驶车辆的实时车速确定位置偏差权重系数KShare1,所述位置偏差权重系数KShare1满足以下表达式:
其中,vShareLow2表示航向偏差速度下限;vShareUp2表示航向偏差速度上限;KShareLow2表示与所述航向偏差速度下限vShareLow2对应的航向偏差权重系数下限;KShareUp2表示与所述航向偏差速度上限vShareUp2对应的航向偏差权重系数上限;以及基于得到的所述位置偏差权重系数KShare1、航向偏差权重系数KShare2确定曲率圆周权重系数KShare3。
8.一种无人驾驶车辆,其特征在于,包括:控制器,所述控制器用于执行权利要求1‑7中任一项所述的横向控制方法;
所述控制器包括:
预瞄点位置序列获取模块,用于获取预瞄点的位置序列;所述预瞄点位置序列获取模块包括:
预瞄点个数确定子模块,用于根据所述无人驾驶车辆的实时车速和当前期望轨迹的曲率确定预瞄点个数N,N为正整数;
参考点位置序列确定子模块,用于根据所述实时车速确定N个参考点的位置序列,所述参考点位于所述无人驾驶车辆的当前行驶方向上;以及预瞄点位置序列确定子模块,用于确定所述当前期望轨迹上距离所述N个参考点中各个参考点的距离最近的点为横向控制的预瞄点,得到包含N个预瞄点的位置序列;
加权期望圆周曲率确定模块,用于根据所述无人驾驶车辆相对于N个预瞄点中每个预瞄点的位置偏差期望圆周曲率、航向偏差期望圆周曲率和轨迹曲率期望圆周曲率来确定加权期望圆周曲率;以及
执行参数确定模块,用于根据所述加权期望圆周曲率确定方向盘转角以及期望转角速度,以控制方向盘的转动,实现横向控制。
9.一种电子设备,其特征在于,包括:一个或多个处理器;
存储装置,用于存储一个或多个程序,其中,当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时,使得所述一个或多个处理器执行权利要求1‑7中任一项所述的无人驾驶车辆的横向控制方法;所述电子设备独立于所述无人驾驶车辆,或者所述无人驾驶车辆包含所述电子设备。
说明书 :
无人驾驶车辆及其横向控制方法、电子设备
技术领域
背景技术
最终实现。车辆运动控制是执行控制中最核心的部分,一般分为车辆纵向控制和横向控制。
的控制逻辑,目前的控制方法在有关预瞄跟踪控制的影响因素方面考虑不全面,仍期望提
出一种无人驾驶的横向控制方法,可以有效降低在各种路况下的跟随偏差。
发明内容
车速和当前期望轨迹的曲率确定预瞄点个数N,N为正整数。然后,根据实时车速确定N个参
考点的位置序列。N个参考点位于无人驾驶车辆的当前行驶方向上。接着,确定当前期望轨
迹上距离N个参考点中各个参考点的距离最近的点为横向控制的预瞄点,得到包含N个预瞄
点的位置序列。上述横向控制方法还包括:根据无人驾驶车辆相对于N个预瞄点中每个预瞄
点的位置偏差期望圆周曲率、航向偏差期望圆周曲率和轨迹曲率期望圆周曲率来确定加权
期望圆周曲率。上述横向控制方法还包括:根据加权期望圆周曲率确定方向盘转角以及期
望转角速度,以控制方向盘的转动,实现横向控制。
设定预瞄点最少个数为第二数量,第二数量大于1;以及确定第一数量和第二数量中较大的
一个为预瞄点个数N。
置;以及根据设定的时间段内无人驾驶车辆以实时车速行驶对应得到的距离按照第i个参
考点占据总个数N的比值划分得到各个参考点距离参考点零点的位置,以得到N个参考点的
位置,其中i=1,2,……,N。
曲率,包括:
圆周曲率bestrow1、加权航向偏差期望圆周曲率bestrow2和加权轨迹曲率期望圆周曲率
bestrow3;
率圆周权重系数KShare3确定加权期望圆周曲率bestrow。
曲率。其中,确定无人驾驶车辆相对于N个预瞄点中每个预瞄点的位置偏差期望圆周曲率,
包括:根据无人驾驶车辆的当前位置和第i个预瞄点的位置确定无人驾驶车辆相对于第i个
预瞄点的位置偏差期望圆周曲率Rowi1,i=1,2,……,N。确定无人驾驶车辆相对于N个预瞄
点中每个预瞄点的航向偏差期望圆周曲率,包括:根据无人驾驶车辆的当前航向和第i个预
瞄点的航向正切值确定无人驾驶车辆相对于第i个预瞄点的航向偏差期望圆周曲率Rowi2。
确定无人驾驶车辆相对于N个预瞄点中每个预瞄点的轨迹曲率期望圆周曲率,包括:根据无
人驾驶车辆的当前位置和第i个预瞄点对应的轨迹曲率确定无人驾驶车辆相对于第i个预
瞄点的轨迹曲率期望圆周曲率Rowi3。
纵坐标,A、B和C为系数;
车辆的实时车速确定位置偏差权重系数KShare1,位置偏差权重系数KShare1满足以下表达式:
度上限vShareUp1对应的位置偏差权重系数上限;vnow表示无人驾驶车辆的实时车速;
车辆的实时车速确定位置偏差权重系数KShare1,位置偏差权重系数KShare1满足以下表达式:
度上限vShareUp2对应的航向偏差权重系数上限;以及
特征车速,特征车速用于表征车辆影响转向控制的非线性特性。
权期望圆周曲率确定模块以及执行参数确定模块。预瞄点位置序列获取模块用于获取预瞄
点的位置序列。预瞄点位置序列获取模块包括:预瞄点个数确定子模块、参考点位置序列确
定子模块和预瞄点位置序列确定子模块。上述预瞄点个数确定子模块用于根据无人驾驶车
辆的实时车速和当前期望轨迹的曲率确定预瞄点个数N,N为正整数。参考点位置序列确定
子模块用于根据实时车速确定N个参考点的位置序列,上述N个参考点位于无人驾驶车辆的
当前行驶方向上。预瞄点位置序列确定子模块用于确定当前期望轨迹上距离N个参考点中
各个参考点的距离最近的点为横向控制的预瞄点,得到包含N个预瞄点的位置序列。上述加
权期望圆周曲率确定模块用于根据无人驾驶车辆相对于N个预瞄点中每个预瞄点的位置偏
差期望圆周曲率、航向偏差期望圆周曲率和轨迹曲率期望圆周曲率来确定加权期望圆周曲
率。上述执行参数确定模块用于根据加权期望圆周曲率确定方向盘转角以及期望转角速
度,以控制方向盘的转动,实现横向控制。
行时,使得一个或多个处理器执行如上所述的任一种无人驾驶车辆的横向控制方法。上述
电子设备独立于无人驾驶车辆,或者无人驾驶车辆包含上述电子设备。
瞄点的适用性,基于上述预瞄点序列得到的横向控制参数具有较高的精确度和实时性;
且根据车辆状态(例如无人驾驶车辆的实时车速、实时位置)来实时调节三者之间的权重,
计算获取的用于实现横向控制的加权期望圆周曲率bestrow更加符合各个时刻的具体场景
工况,能够大大提升横向控制的实时精度;
取,模型简单,适用于低速和高速运动场景。
附图说明
具体实施方式
素,通过自适应计算预瞄点、基于车辆实时运行状态来实时调节轨迹曲率、位置和航向各影
响因素的权重,从而得到符合实际场景的加权期望圆周曲率,基于上述加权期望圆周曲率
来控制执行器执行横向运动,提升了无人驾驶车辆横向控制的实时精度。
的计算。本公开根据实时车速和期望轨迹的曲率自适应计算预瞄点的个数,以增加预瞄点
的适用性。
息中包含有曲率的信息。可以实时读取当前期望轨迹上的期望轨迹点的曲率信息,以获取
当前期望轨迹的最大曲率Curvaturemax。
值,不带单位(无量纲),选用的数值对应的单位为国际单位m/s。
出来的第一数量不合理的情况下限定出预瞄点的个数。
参考点的个数与预瞄点的个数是相同的,均采用N表示。
无人驾驶车辆的当前位置S的距离,以得到参考点零点x0的位置。
离d0小于2,可以采用设定的初始距离值d0‑set,d0‑set≥2。
置,以得到N个参考点的位置,其中i=1,2,……,N。
SN}。
的特征,能够随着车辆的运动参数发生精准的变化,根据N个参考点在当前期望轨迹上确定
出来的用于横向控制的预瞄点的位置序列具有较高的精确度和实时性。
曲率的操作S12包括以下子操作:S121~S124。
位置偏差期望圆周曲率bestrow1、加权航向偏差期望圆周曲率bestrow2和加权轨迹曲率期望
圆周曲率bestrow3。
迹曲率期望圆周曲率。上述子操作S121‑1在子操作S122之前执行。
变化因素,将上述因素导致的偏差进行加权处理,各自的权重根据无人驾驶车辆的实时状
态而发生变化。
向与期望轨迹一致,但是车辆实际位置与期望轨迹位置存在位置偏差;第二种如图3中示意
的C点情况,此时车辆位置与期望轨迹一致,但是车辆实际位置与期望轨迹航向存在航向误
差。在车辆实际行驶过程中,前述两种情况一般同时存在,故在横向控制中需要实时在位置
误差和航向误差中进行平衡,保证轨迹跟随性能。
对于第i个预瞄点的位置偏差期望圆周曲率Rowi1,i=1,2,……,N。
而实时获取。无人驾驶车辆相对于第i个预瞄点的位置偏差期望圆周曲率Rowi1满足以下表
达式:
纵坐标,A、B和C为系数。
车辆相对于第i个预瞄点的航向偏差期望圆周曲率Rowi2。目前决策层发送的期望轨迹序列
中将会包含每个点对应的正切值,故可直接使用。
足以下表达式:
式(9)中,上述参数ψ列出来是为了简化表示形式。
列中将会包含每个点对应的轨迹曲率,故可认为其已知直接使用即可。对应于车辆进行直
线行驶的情形,上述轨迹的曲率变化的影响为0,在后续的操作。
差和航向误差的耦合。
过程中,需要同时考虑位置误差,航向误差和轨迹曲率,在这三者之间进行平衡,以达到车
辆转向跟随的高精度。
于第i个预瞄点的轨迹曲率期望圆周曲率Rowi3。
重系数KShare3满足:
上限以及无人驾驶车辆的实时车速确定位置偏差权重系数KShare1,位置偏差权重系数KShare1
满足以下表达式:
度上限vShareUp1对应的位置偏差权重系数上限;vnow表示无人驾驶车辆的实时车速。
上限以及无人驾驶车辆的实时车速确定位置偏差权重系数KShare1,位置偏差权重系数KShare1
满足以下表达式:
度上限vShareUp2对应的航向偏差权重系数上限。
根据公式(13)和(14)计算得出的KShare1、KShare2可以求出KShare3。
数KShare2和曲率圆周权重系数KShare3确定加权期望圆周曲率bestrow。
曲率bestrow转换为最终的执行器输出。
法中,引入车辆属性特征车速作为修正,则车轮的转角的表达式如下:
特征车速,特征车速用于表征车辆影响转向控制的非线性特性。
随误差小于0.5m;在车辆通过S弯工况下,高速通过时(车速大于30km/h),跟随误差小于
0.6,低速通过时(车速小于30km/h),跟随误差小于0.5m,大大提升了车辆横向控制跟随的
稳定性。
实现了自适应预瞄点计算,提升了预瞄点的适用性,基于上述预瞄点序列得到的横向控制
参数具有较高的精确度和实时性。通过全面考虑位置、航向以及轨迹曲率的影响,得到加权
位置偏差期望圆周曲率bestrow1、加权航向偏差期望圆周曲率bestrow2和加权轨迹曲率期望
圆周曲率bestrow3,并且根据车辆状态(例如无人驾驶车辆的实时车速、实时位置)来实时调
节三者之间的权重,计算获取的用于实现横向控制的加权期望圆周曲率bestrow更加符合各
个时刻的具体场景工况,能够大大提升横向控制的实时精度。基于自行车模型作为基础,同
时基于车辆特征车速的属性参数作为修正项来计算方向盘转角,对于较高速度的场景计算
准确度和精度较高,上述属性参数较为容易获取,模型简单,适用于低速和高速运动场景。
模块202以及执行参数确定模块203。
确定加权期望圆周曲率。
将确定的方向盘转角以及期望转角速度等控制参数发送给执行器21,以便于执行器21按照
上述控制参数进行横向操作。
模块201a用于根据无人驾驶车辆的实时车速和当前期望轨迹的曲率确定预瞄点个数N,N为
正整数。参考点位置序列确定子模块201b用于根据实时车速确定N个参考点的位置序列,上
述N个参考点位于无人驾驶车辆的当前行驶方向上。预瞄点位置序列确定子模块201c用于
确定当前期望轨迹上距离N个参考点中各个参考点的距离最近的点为横向控制的预瞄点,
得到包含N个预瞄点的位置序列。
意一个或多个可以被拆分成多个模块来实现。例如,预瞄点位置序列获取模块201、加权期
望圆周曲率确定模块202以及执行参数确定模块203中的一个或任意多个可以在一个模块
中实现,或者将其中一个模块拆分为多个子模块实现。
板上的系统、封装上的系统、专用集成电路(ASIC),或可以通过对电路进行集成或封装的任
何其他的合理方式的硬件或固件来实现,或以软件、硬件以及固件三种实现方式中任意一
种或以其中任意几种的适当组合来实现。或者,根据本公开实施例的模块、子模块、次子模
块中的一个或多个可以至少被部分地实现为计算机程序模块,当该计算机程序模块被运行
时,可以执行相应的功能。例如,预瞄点个数确定子模块201a、参考点位置序列确定子模块
201b和预瞄点位置序列确定子模块201c可以被实现为硬件电路或者以计算机程序的方式
实现。
处理器执行时,使得一个或多个处理器执行如上所述的任一种无人驾驶车辆的横向控制方
法。上述电子设备独立于无人驾驶车辆,例如电子设备为外部的远程控制平台。或者无人驾
驶车辆包含上述电子设备,例如上述电子设备为无人驾驶车辆上车载的控制设备。
预瞄点、基于车辆实时运行状态来实时调节轨迹曲率、位置和航向各影响因素的权重,计算
获取的用于实现横向控制的加权期望圆周曲率更加符合各个时刻的具体场景工况,能够大
大提升横向控制的实时精度,从而得到符合实际场景的精确的加权期望圆周曲率,基于上
述加权期望圆周曲率来控制执行器执行横向运动,提升了无人驾驶车辆横向控制的实时精
度。
表一个模块、程序段、或代码的一部分,上述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个
用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意,在有些作为替换的实现中,方框中所
标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如,两个接连地表示的方框实际
上可以基本并行地执行,它们有时也可以按相反的顺序执行,这依所涉及的功能而定。也要
注意的是,框图或流程图中的每个方框、以及框图或流程图中的方框的组合,可以用执行规
定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现,或者可以用专用硬件与计算机指令的组
合来实现。
不脱离本公开精神和教导的情况下,本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可
以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
在本公开的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本公开的保
护范围之内。