一种自主驾驶车辆的区域型路径跟踪控制方法技术

本发明专利技术公开了一种自主驾驶车辆的区域型路径跟踪控制方法，以克服跟踪控制方法未考虑车辆和道路的形状与大小进而不能保证车辆不与道路边界或周围障碍物发生碰撞的问题，步骤为：建立二维车辆道路模型；建立车辆路径跟踪问题的数学模型；计算车辆前方一段距离内的可行道路区域边界线；建立车辆系统模型；进行区域型路径跟踪控制模型的设计并选取控制量即当前时刻最佳的前轮转角；根据最佳的前轮转角控制转向执行机构动作从而使被控车辆在车辆感知系统给出的车辆前方一段距离内可行道路区域内行驶。本方法在建立的二维车辆道路模型时，考虑了车辆和道路的形状与大小，降低车辆与道路边界发生碰撞的可能，提高了自主驾驶车辆的安全性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于自主驾驶
的控制方法，设及一种自主驾驶车辆的路径跟踪控 制方法。
技术介绍
自主驾驶技术的广泛应用前景使其日益受到人们的关注。典型的自主驾驶系统包 括感知系统和驾驶控制系统两大功能模块，感知系统用W获取车辆周围环境信息和车辆自 身的运行状态信息，驾驶控制系统则是代替驾驶员控制车辆行驶。对自主驾驶技术而言，路 径跟踪控制是驾驶控制系统需要解决的一个最为关键的控制问题。现有的自主驾驶车辆的 路径跟踪控制大都是参照了机器人的运动控制方法，首先根据感知系统扫描到的道路交通 信息规划出一条可行的轨迹或路径线，然后控制车辆跟踪该条可行的轨迹或路径线。该些 控制方法大都是基于点线式的车辆道路模型设计的，其中一些典型的控制方法有纯点追踪 法、预瞄PID和Stanly方法等。它们都能取得较好的路径跟踪控制效果，但由于在设计过 程中忽略掉了车辆和道路的形状与大小，所W并不能保证车辆不会与道路边界或其周围的 障碍物发生碰撞。
技术实现思路
本专利技术要解决的问题是克服现有自主驾驶车辆的路径跟踪控制方法中存在的未 考虑车辆和道路的形状与大小进而不能保证车辆不与道路边界或其周围障碍物发生碰撞 的问题，提供。 本专利技术提出的是采用如下技术方 案实现的： ，自主驾驶车辆中的驾驶控制系统 首先根据感知系统扫描处理后给出的可行道路区域信息W及车辆自身的运行状态信息优 化出当前时刻最佳的前轮转角，然后根据该前轮转角控制车辆的转向执行机构动作，W使 车辆在可行的道路区域内行驶，其特征在于步骤如下： 步骤一、建立二维车辆道路模型： 建立二维车辆道路模型，设刚性杆RF为车辆模型，它过车辆的质屯、0,长度等于车 身长度1，期望路径则由期望道路区域左边界线f'l(x)、期望道路区域右边界线f't(x) 和期望道路区域中屯、线f(x)组成的期望道路区域来表示，且满足：(1) 式中，fi(x)为通过自主驾驶车辆中的感知系统扫描处理得到的前方一段距离内 可行道路区域的左边界；ft(x)为通过自主驾驶车辆中的感知系统扫描处理得到的前方一 段距离内可行道路区域的右边界；f'i(x)为期望道路区域左边界线，ft'（X)为期望道路区 域右边界线，W为车辆宽度，单位，m; 步骤二、建立车辆的区域型路径跟踪问题的数学模型： 基于步骤一建立的二维车辆道路模型，保证刚性杆RF始终处于由期望道路区域 左边界线f'l(x)、期望道路区域右边界线ft'（X)和期望道路区域中屯、线f(x)组成的期望 道路区域内，结合刚性杆的几何和物理特性，建立车辆的区域型路径跟踪问题的数学模型 如下：[001引佩 式中，y。为车辆质屯、0的侧向位置，单位，m;1f为车辆质屯、0到车辆前端点F的距 离，单位，m山为车辆质屯、0到车辆后端点R的距离，单位，m;iD为车辆横摆角，单位，rad; 0为车辆质屯、侧偏角，单位，rad; 步骤S、计算车辆前方一段距离内可行道路区域边界线fi(x)和ft(X); 假定自主驾驶车辆的感知系统可实时获取车辆附近的可行道路区域边界的点序 列信息（X,，y,，X。yi)，基于二次捜索算法采用S次拉格朗日插值公式得到车辆前方一段距 离内可行道路区域的边界线函数为：(7) 式中，（Xr(i)，yr(i)，Xi(i)，yi(i))，i=j，n，m，k为可行道路区域边界的点序列 (X" y,，Xi, yi)中的四组坐标点； 步骤四、建立自主驾驶车辆系统模型并将其整理为状态空间形式：式中，X为系统状态向量，且X= )0r]T;5f为车辆前轮转角，也为系统控 制量，单位，rad;y。为系统输出；A为系统矩阵；B为输入矩阵；C为输出矩阵；V为车辆质屯、 处的速度，单位，m/s;r为车辆的横摆角速度，单位，rad/s;Cf为车辆前轮轮胎的侧偏刚度， 单位，N/rad;Ct为车辆后轮轮胎的侧偏刚度，单位，N/rad;m为车辆的质量，单位，kg;I,为 车辆绕Z轴的转动惯量，单位，kg?m2;a为车辆质屯、0到车辆前轴的距离，单位，m;b为车 辆质屯、0到车辆后轴的距离，单位，m; 步骤五、采用模型预测控制方法设计车辆的区域型路径跟踪控制模型为：Axd化+i) =vGO?Ts; Ay。化+i)=y。化+i)-y。化+i-l);A5f化+i)=5f化+i) - 5f化+i_l); c,= ，Cp= ; 并选取控制量即当前时刻最佳的前轮转角《?为： ^J；=U*(1) (33)[003引式中5f(kH)为k+i时刻的系统控制量，即为车辆的前轮转角，单位，rad; x(kH)为k+i时刻的系统状态向量； y。化+i)为k+i时亥IJ的系统输出，即车辆质屯、的侦晌位置，单位，m;[003引 P为预测时域，N为控制时域； 1\和1^。为加权矩阵； r"为权重因子； yt(kH)，i=l，…，P为期望道路区域中屯、线f(x)的离散量，离散间隔为v(k) ?!；， 单位，m; Axd化+i)为车辆在化+i-l)~化+i)该一段时间内行驶的纵向位移，单位，m; Ayd化+i)为车辆在化パ-l)~化+i)该一段时间内行驶的侦ll向位移，单位，m; A5f(kH)为k+i时刻的控制增量，单位，rad; 5fsw为转向执行机构所能实现的最大的前轮转角，单位，rad; A5fsw转向执行机构所能实现的最大的前轮转角增量，单位，rad; f'i(k+i)为期望道路区域左边界线f'i(x)在时刻k+i的采样值，单位，m; ft'化+i)则为期望道路区域右边界线ft'（X)在时刻k+i的采样值，单位，m; 0wiwer为车辆可能发生侧翻的临界量，单位，rad; T为采样时间，单位S;护为通过优化求解得到的最优控制序列； 步骤六、根据步骤五中给出的当前时刻最佳的前轮转角控制转向执行机构动 作，使得被控车辆的前轮转角等于当前时刻最佳的前轮转角4,从而使被控车辆在车辆感 知系统给出的车辆前方一段距离内可行道路区域内行驶，实现区域路径跟踪的控制目标。 进一步的技术方案为： 步骤二的具体过程为： 为保证刚性杆RF始终处于由期望道路区域左边界线f'i(x)、期望道路区域右边 界线ft'（X)和期望道路区域中屯、线f(x)组成的期望道路区域内，需保证下述的式（2)中 描述的关系成立：(2) 式中，折为刚性杆RF前端点F的侧向位置，单位，m;yE为刚性杆RF后端点R的侧 向位置，单化m;[005引刚性杆RF的前端点F和后端点R与质屯、0存在如下几何关系：(3) 式中，y。为车辆质屯、0的侧向位置，单位，m;1f为车辆质屯、0到车辆前端点F的距 离，单位，m;1,为车辆质屯、0到车辆后端点R的距离，单位，m;iD为车辆横摆角，单位，弧度 (rad) 为车辆质屯、侧偏角，单位，rad; 考虑到自主驾驶车辆的感知系统每次可观测到的距离大约为50m，而道路的曲率 也大都是比较小的，所W认为车辆在该段区域内行驶时的横摆角是很小的，又考虑到车 辆的质屯、侧偏角0很小，本专利技术采用如下近似关系：(4) 进而可将公式（3)简化为；(5) 将公式妨代入到公式（2)中，整理即可得到步骤二中所述的车辆的区域型路径 跟踪问题的数学模型式化）。 步骤S的具体过程为： 步骤S中的式 口）中，（Xr(i)，yr(i)，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自主驾驶车辆的区域型路径跟踪控制方法，自主驾驶车辆中的驾驶控制系统首先根据感知系统扫描处理后给出的可行道路区域信息以及车辆自身的运行状态信息优化出当前时刻最佳的前轮转角，然后根据该前轮转角控制车辆的转向执行机构动作，以使车辆在可行的道路区域内行驶，其特征在于步骤如下：步骤一、建立二维车辆道路模型：建立二维车辆道路模型，设刚性杆RF为车辆模型，它过车辆的质心o，长度等于车身长度l，期望道路区域则由期望道路区域左边界线fl'(x)、期望道路区域右边界线fr'(x)和期望道路区域中心线f(x)组成的期望道路区域来表示，且满足：fl′(x)=fl(x)-w2fr′(x)=fr(x)+w2f(x)=fl(x)+fr(x)2---(1)]]>式中，fl(x)为通过自主驾驶车辆中的感知系统扫描处理得到的前方一段距离内可行道路区域的左边界；fr(x)为通过自主驾驶车辆中的感知系统扫描处理得到的前方一段距离内可行道路区域的右边界；fl'(x)为期望道路区域左边界线，fr'(x)为期望道路区域右边界线，w为车辆宽度，单位，m；步骤二、建立车辆的区域型路径跟踪问题的数学模型：基于步骤一建立的二维车辆道路模型，保证刚性杆RF始终处于由期望道路区域左边界线fl'(x)、期望道路区域右边界线fr'(x)和期望道路区域中心线f(x)组成的期望道路区域内，结合刚性杆的几何和物理特性，建立车辆的区域型路径跟踪问题的数学模型如下：{fr′(x)-lf(ψ+β)≤yo≤fl′(x)-lf(ψ+β)fr′(x)+lr(ψ+β)≤yo≤fl′(x)+lr(ψ+β)---(6)]]>式中，yo为车辆质心o的侧向位置，单位，m；lf为车辆质心o到车辆前端点F的距离，单位，m；lr为车辆质心o到车辆后端点R的距离，单位，m；ψ为车辆横摆角，单位，rad；β为车辆质心侧偏角，单位，rad；步骤三、计算车辆前方一段距离内可行道路区域边界线fl(x)和fr(x)：假定自主驾驶车辆的感知系统可实时获取车辆附近的可行道路区域边界的点序列信息(xr,yr,xl,yl)，基于二次搜索算法采用三次拉格朗日插值公式得到车辆前方一段距离内可行道路区域的边界线函数为：fr(x)=ΣΠi≠p(x-xr(i))(xr(p)-xr(i))yr(p)fl(x)=ΣΠi≠p(x-xl(i))(xl(p)-xl(i))yl(p),p=j,n,m,k;i=j,n,m,k;---(7)]]>式中，(xr(i),yr(i),xl(i),yl(i)),i＝j,n,m,k为可行道路区域边界的点序列(xr,yr,xl,yl)中的四组坐标点；步骤四、建立自主驾驶车辆系统模型并将其整理为状态空间形式：{x·=Ax+Bδfyo=Cx---(19)]]>式中，A=0vv00001002(Cf+Cr)mv2(aCf-bCr)mv2-1002(aCf-bCr)Iz2(a2Cf+b2Cr)Izv,B=00-2Cfmv-2aCfIz,C=1000;]]>式中，x为系统状态向量，且x＝[yo ψ β r]T；δf为车辆前轮转角，也为系统控制量，单位，rad；yo为系统输出；A为系统矩阵；B为输入矩阵；C为输出矩阵；v为车辆质心处的速度，单位，m/s；r为车辆的横摆角速度，单位，rad/s；Cf为车辆前轮轮胎的侧偏刚度，单位，N/rad；Cr分别为车辆后轮轮胎的侧偏刚度，单位，N/rad；m为车辆的质量，单位，kg；Iz为车辆绕z轴的转动惯量，单位，kg·m2；a为车辆质心o到车辆前轴的距离，单位，m；b为车辆质心o到车辆后轴的距离，单位，m；步骤五、采用模型预测控制方法设计车辆的区域型路径跟踪控制模型为：minJδf(k+i)J=||Γy(Y(k+1|k)-R(k))||2+||ΓuU(k)||2+Σi=1PΓd,i(||Δxd(k+i)||2+||Δyd(k+i)||2)---(32)]]>满足:x(k+i+1)=Acx(k+i)+Bcδf(k+i)yo(k+i)=Ccx(k+i)|Δδf(k+i)|≤Δδfsat|δf(k+i)|≤δfsatfr′(k+i)-lf(Cψ+Cβ)x(k+i)≤yo(k+i)≤fl′(k+i)-lf(C...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郭洪艳，余如，郝宁峰，陈虹，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22