自动汽车引导与轨迹跟踪制造技术

本发明专利技术公开了用于自动的类似汽车的地面车辆引导和轨迹跟踪控制的系统、方法和计算机程序产品。多环3DOF轨迹线性化控制器(300)利用非线性轮胎牵引力、非线性拖曳力和致动器动力学向具有非线性刚体动力学(332)的车辆提供引导。控制器(300)可以基于闭环PD‑特征值分配和用于指数稳定性的奇异扰动(时间尺度分离)理论，并且同时控制纵向速度(Vx,sen)和转向角(δ)，以遵循可行的引导轨迹。基于视线的纯追踪引导控制器(502)可以生成3DOF空间轨迹，其被提供给3DOF控制器(300)，以实现目标追踪和路径跟随/轨迹跟踪。所得到的组合可以提供3DOF运动控制系统(500)，其具有用于机动车和类似汽车的移动机器人目标追踪和轨迹跟踪的集成式同时转向和速度控制。

Automatic Vehicle Guidance and Track Tracking

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】自动汽车引导与轨迹跟踪相关申请的交叉引用本专利申请要求于2016年11月10日递交的申请号为No.62/420，314的美国悬而未决申请的权益和优先权。该专利申请的全部内容通过引用并入本文中。
技术介绍
本专利技术通常涉及类似汽车的地面车辆的自动引导和控制，更具体地说，涉及用于向类似汽车的地面车辆提供转向和电动机控制信号的系统、方法和计算机程序产品。根据美国国家公路交通安全管理局(NHTSA)，2014年有600万警察报告了高速公路碰撞事故，导致200多万人受伤和32,675人死亡。在这些交通事故中，94％归因于司机错误。据信，自动驾驶或“无人驾驶”汽车将显著减少此类事故。目前，几乎所有的汽车制造商都已经开始研发自动驾驶汽车，并且许多自动驾驶车辆已经过道路测试，甚至许可驾驶人员进行驾驶监督。运输车辆运动控制可以被分类为路径跟随和轨迹跟踪。路径跟随是指在没有时间限制的情况下穿越规定路径，而轨迹跟踪允许车辆以规定时间穿过路径(中立追踪)，具有以下这样的形式(诸如一排)：以增加公路容量或用于自适应巡航控制(合作追踪)，或者追踪逃避车辆，如追捕逃犯车辆的警车(对抗性追踪)。传统的无人驾驶汽车设计用于路径跟随，并且具有有限的可操作性或实际应用。路径跟随引导通常采用所谓的arc-pure-pursuit算法，该算法不包含速度约束。该设计涉及控制器参数的经验确定，这也可能限制车辆的性能潜力。由于对车辆施加的运动速度的要求，轨迹跟踪已经证明，对于汽车而言比路径跟随更难以控制和引导的问题。用于汽车的传统自动运动控制器使用用于转向和节气门的单独控制器，这倾向于进一步限制车辆的性能潜力。为了有效地应对类似汽车的地面车辆运动控制的非线性和时变性质，传统系统可以使用所谓的模型预测控制(MPC)技术。MPC使用当前计算的控制器增益、运行在有限的未来时间间隔内车辆运动的模拟。MPC然后根据模拟结果修改车辆模型，执行在线最优控制设计，以获得一组新的增益，使用这些增益来控制车辆到下一个决策时间步骤，并在每个控制决策步骤时重复该过程，通常每秒50至100次。这种控制器的计算量相当密集，但性能有限且缺乏稳定性。因此，需要用于控制自动驾驶汽车的改进的方法、系统和计算机程序产品。
技术实现思路
本专利技术的实施例提供了一种集成的三自由度(3DOF)轨迹线性化轨迹跟踪控制器和用于中立、合作和对抗跟踪操作的纯追踪引导控制器。与顶级认知任务规划器一起，本专利技术的实施例可以便于完全自动的类似汽车的地面车辆操作。本专利技术的实施例还可以用作更先进的汽车失控防止和恢复控制器的基线控制器，并且可以适用于任何类似汽车的轮式机器人。多环3DOF轨迹线性化控制器被配置为利用非线性轮胎牵引力、非线性拖曳力和致动器动力学/动力学特性引导具有非线性刚体动力学/动力学特性的车辆。轨迹线性化控制器可以基于用于指数稳定性的奇异扰动(时间尺度分离)理论，并且同时控制纵向速度和转向角以遵循可行的引导轨迹。这种建模和设计方法通过缩小模型车上的计算机模拟和硬件测试结果得到支持。本专利技术的实施例还可包括基于视线的纯追踪引导控制器，其能够进行轨迹跟踪。引导控制器可以生成3DOF空间轨迹，其被提供给3DOF轨迹跟踪控制器。由此产生的组合可以提供3DOF运动控制系统，其具有用于汽车和类似汽车的移动机器人轨迹跟踪的集成(同时)转向和速度控制。以上概述呈现了本专利技术的一些实施例的简化概述，以便提供对本文所述专利技术的某些方面的基本理解。
技术实现思路
并非旨在提供对本专利技术的广泛概述，也不旨在标识任何关键或重要元素或描绘本专利技术的范围。
技术实现思路
的唯一目的仅仅是以简化的形式呈现一些概念，作为对下面给出的详细描述的介绍。附图说明包含在本说明书中并构成说明书一部分的附图示出了本专利技术的各种实施例，并且与上面给出的本专利技术的一般描述以及下面给出的实施例的详细描述一起用于解释本专利技术的实施例。图1是根据本专利技术的实施例的轨迹线性化控制器的示意图。图2是可以由图1的轨迹线性化控制器用来控制车辆的多个参考系的示意图。图3是轨迹跟踪控制器的示意图，该轨迹跟踪控制器包括引导控制器和转向控制器。图4是误差坐标系的示意图。图5是用于自动的类似汽车的地面车辆的引导、导航和控制系统的示意图。图6是描绘被引导车辆和目标车辆之间的位置关系的示意图。图7是可以与图5的引导、导航和控制系统使用的轨迹发生器的示意图，其包括视线搜寻器(seeker)模块、航向引导模块、速度引导模块和轨迹合成器模块。图8是可以在图7的速度引导模块中使用的闭环系统的示意图。图9是可以在图7的航向引导模块中使用的闭环系统的示意图。图10是描绘被引导车辆和用于车道跟随的虚拟目标之间的位置关系的示意图。图11是描绘用于跟踪具有车道约束的目标的引导车辆、虚拟目标和目标车辆之间的位置关系的示意图。图12是描绘导航参考系中的轨迹线性化控制系统的示例性位置轨迹跟踪性能的曲线图。图13是描绘轨迹线性化控制系统的示例性位置跟踪性能的多个曲线图的图形视图。图14是描绘导航参考系中的轨迹线性化控制系统的示例性位置跟踪误差的多个曲线图的图形视图。图15是描绘车体固定参考系中的轨迹线性化控制系统的示例性位置跟踪误差的多个曲线图的图形视图。图16是描绘轨迹线性化控制系统的不同缩放速度下的示例性横向位置误差的多个曲线图的图形视图。图17是描绘车体固定参考系中的轨迹线性化控制系统的示例性速度跟踪的多个曲线图的图形视图。图18是描绘车体固定参考系中的轨迹线性化控制系统的示例性速度跟踪误差的多个曲线图的图形视图。图19是描绘轨迹线性化控制系统的示例性偏航跟踪和偏航跟踪误差的多个曲线图的图形视图。图20是描绘轨迹线性化控制系统的示例性偏航角度速率跟踪和跟踪误差的多个曲线图的图形视图。图21是描绘示例性电动机电压和转向角致动器信号的多个曲线图的图形视图。图21B是可以由类似汽车的地面车辆跟踪的附图8轨迹的图形视图。图22是描绘使用基于视线的纯追踪引导系统的S形运动目标的导航参考系中的示例性轨迹跟踪的曲线图的图形视图。图23是描绘用于图22的S形运动目标的导航参考系中的测试车辆的x轴和y轴位置的多个曲线图的图形视图。图24是描绘图22的S形运动目标的导航参考系中的位置跟踪误差的多个曲线图的图形视图。图25是描绘图22的S形运动目标的车体参考系中的位置跟踪误差的多个曲线图的图形视图。图26是描绘用于图22的S形运动目标的车体参考系中的测试车辆的速度跟踪的多个曲线图的图形视图。图26B是用于图22的S形运动目标的车体参考系中的测试车辆的速度跟踪误差的图形视图。图26C是用于图22的S形运动目标的车体参考系中的测试车辆的偏航角度速率的图形视图。图27是描绘图22的S形运动目标的测试车辆的视线角度的多个曲线图的图形视图。图28是描绘图22的S形运动目标的车体参考系中测试车辆的范围误差的曲线图。图29是描绘用于图22的S形运动目标的测试车辆的示例性偏航角度和偏航角度跟踪误差的多个曲线图的图形视图。图30是描绘用于图22的S形运动目标的测试车辆的转向角的曲线图的图形视图。图31是描绘用于图22的S形运动目标的测试车辆的侧滑角度的曲线图的图形视图。图32是可用于实现图1至31的控制器、模块或系统中的一个或多个的示例性计算系统的示意图。具体实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自动引导和控制类似汽车的地面车辆的方法，所述方法包括：在包括第一开环标称控制器和第一闭环跟踪误差控制器的引导控制器处接收位置命令信号；在引导控制器处接收位置测量信号；由第一开环标称控制器基于位置命令信号确定标称速度信号；由第一闭环跟踪误差控制器基于所述位置命令信号和所述位置测量信号确定速度控制信号；由引导控制器基于标称速度信号和速度控制信号确定速度命令信号；由引导控制器基于速度命令信号确定驱动命令信号；以及将驱动命令信号传输到类似汽车的地面车辆的驱动致动器。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.11.10 US 62/420,314;2017.04.12 US 62/484,5431.一种自动引导和控制类似汽车的地面车辆的方法，所述方法包括：在包括第一开环标称控制器和第一闭环跟踪误差控制器的引导控制器处接收位置命令信号；在引导控制器处接收位置测量信号；由第一开环标称控制器基于位置命令信号确定标称速度信号；由第一闭环跟踪误差控制器基于所述位置命令信号和所述位置测量信号确定速度控制信号；由引导控制器基于标称速度信号和速度控制信号确定速度命令信号；由引导控制器基于速度命令信号确定驱动命令信号；以及将驱动命令信号传输到类似汽车的地面车辆的驱动致动器。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述速度控制信号包括横向速度控制信号，并且还包括：基于所述标称速度信号的纵向分量和所述横向速度控制信号确定偏航控制信号；以及将偏航控制信号传输到转向控制器。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述速度命令信号包括纵向速度命令信号，并且确定所述驱动命令信号包括：确定纵向速度测量信号和纵向速度命令信号之间的差，以产生纵向速度误差信号；通过引导控制器的第二闭环跟踪误差控制器，基于纵向速度误差信号确定纵向力控制信号；以及基于纵向力控制信号确定驱动命令信号。4.根据权利要求3所述的方法，其中，确定所述驱动命令信号还包括：由第二开环标称控制器确定标称力信号；以及基于标称力信号和轮胎牵引力模型确定驱动命令信号。5.根据权利要求4所述的方法，还包括：基于标称力信号确定标称驱动信号；基于标称力信号确定标称偏航信号；在包括第三开环标称控制器的转向控制器处接收标称偏航信号；由第三开环标称控制器，基于标称偏航信号确定标称偏航角度速率信号；以及由转向控制器，基于标称偏航角度速率信号确定转向角命令信号。6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述转向控制器还包括第三闭环跟踪误差控制器，并且还包括：在第三闭环跟踪误差控制器处接收偏航跟踪误差信号；由第三闭环跟踪误差控制器，基于偏航跟踪误差信号确定偏航角度速率控制信号；以及由转向控制器，基于偏航角度速率控制信号确定转向角命令信号。7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述转向控制器包括第四闭环跟踪误差控制器和第四开环标称控制器，并且确定所述转向角命令信号包括：在转向控制器处接收偏航角度速率测量信号；基于标称偏航角度速率信号和偏航角度速率控制信号之间的差，确定偏航角度速率命令信号；基于偏航角度速率命令信号和偏航角度速率测量信号之间的差，确定偏航角度速率误差信号；通过第四闭环跟踪误差控制器，基于偏航角度速率误差信号确定车体扭矩控制信号；由第四开环标称控制器确定标称车体扭矩信号；以及将转向角命令信号确定为车体扭矩控制信号和标称车体扭矩信号之和。8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，还包括：定义从类似汽车的地面车辆的当前位置引导到引导控制器的吸引域内的任务轨迹上的目标的引导轨迹；以及基于所述目标相对于类似汽车的地面车辆的当前位置的位置，确定位置命令信号。9.根据权利要求8所述的方法，其中，确定位置命令信号包括：接收目标相对位置信号；基于目标相对位置信号，确定从类似汽车的地面车辆到目标的范围距离矢量，所述范围距离矢量定义类似汽车的地面车辆和目标之间的距离和b系视线角度；接收感测的偏航角度；基于b系视线角度确定范围距离矢量的纵向分量；基于b系视线角度和感测的偏航角度确定引导角度；基于范围距离矢量的纵向分量，确定b系中的引导速度；以及基于引导角度和引导速度，在n系中产生位置命令信号。10.一种用于自动引导和控制类似汽车的地面车辆的控制器，所述控制器包括：一个或多个处理器；以及存储器，其与一个或多个处理器通信并存储程...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱建超，陈远彦，
申请(专利权)人：俄亥俄州立大学，
类型：发明
国别省市：美国,US