一种基于两点预瞄的路径跟踪控制方法技术

一种基于两点预瞄的路径跟踪控制方法，涉及车辆路径跟踪技术领域，用以解决现有的驾驶员模型由于没有考虑车辆横纵向运动之间的关系而导致控制精度较低的问题。本发明专利技术的技术要点包括：首先，考虑两个预瞄点的横向距离误差和角度偏差，建立具有两个预瞄点的横向跟踪控制模型，以控制车辆的方向盘转角；其次，建立纵向跟踪控制模型，以控制车辆行驶速度；再次，对车辆横向和纵向运动进行了耦合。本发明专利技术具有很高的适应性、控制精度、跟踪性能和转向轻便性，可应用于无人车辆的路径跟踪控制中。可应用于无人车辆的路径跟踪控制中。可应用于无人车辆的路径跟踪控制中。

【技术实现步骤摘要】
一种基于两点预瞄的路径跟踪控制方法


[0001]本专利技术涉及车辆路径跟踪
，具体涉及一种基于两点预瞄的路径跟踪控制方法。

技术介绍

[0002]路径跟踪是开发自主车辆的关键技术，是控制器的核心问题。通过控制方向盘角度、油门踏板和制动踏板开度等参数，控制器可以控制车辆的横向和纵向运动，确保车辆在理想路径上行驶。
[0003]为了确保精确的路径跟踪，有必要使用一个有效的控制模型，该模型可以仿真熟练驾驶员对车辆的操纵，驾驶员模型是实现路径跟踪的一个重要方面，对“人
‑
车
‑
路”闭环系统的研究具有重要意义。自20世纪中期以来，许多学者对驾驶员模型进行了研究，这些模型可以分为补偿跟踪模型和预瞄跟踪模型。补偿跟踪模型提出更早，如Iguchi提出的PID模型和McRure提出的crossover模型，然而，这些模型不适合于高速行驶，因为它们可能会引起振荡。目前没有一个模型能同时考虑到远程预瞄点和车辆的偏差信息以及车辆纵向和横向运动之间的耦合。

技术实现思路

[0004]鉴于以上问题，本专利技术提出一种基于两点预瞄的路径跟踪控制方法，用以解决现有的驾驶员模型由于没有考虑车辆横纵向运动之间的关系而导致控制精度较低的问题。
[0005]一种基于两点预瞄的路径跟踪控制方法，包括以下步骤：
[0006]步骤一、基于驾驶员角度建立具有两个预瞄点的横向跟踪控制模型，以控制车辆的方向盘转角；其中，预瞄点包括远点和近点；
[0007]步骤二、建立纵向跟踪控制模型，以控制车辆行驶速度；
[0008]步骤三、将横向跟踪控制模型和纵向跟踪控制模型进行耦合，以对无人驾驶的车辆进行路径跟踪。
[0009]进一步地，步骤一中所述近点位于车辆前轴中心，所述远点由当前车速v和预设预瞄时间T
p
确定：以车辆质心为起点，沿车辆直线行驶方向的预瞄距离l
d
处，预瞄距离l
d
定义为：
[0010][0011]式中，v
m
表示最低车速。
[0012]进一步地，步骤一的具体步骤包括：
[0013]步骤一一、对于远点，采用最优曲率模型，设车辆通过弧形路径轨迹到达远点，且轨迹存在最优曲率1/R；根据远点横向距离偏差y
e
、预瞄距离l
d
和坐标变换方程计算获得曲率半径R；根据曲率半径R计算获得第一方向盘转角δ1；所述远点横向距离偏差y
e
为起始位置车辆坐标系原点与车辆到达远点时的质心之间的距离在起始位置车辆坐标系y轴上的投
影；
[0014]根据远点航向角误差和预设预瞄时间T
p
计算获得第二方向盘转角δ2；
[0015]步骤一二、对于近点，采用滑模控制方法，计算获得横摆角加速度α3；在时间上对横摆角加速度α3进行积分，获得第三方向盘转角δ3；
[0016]步骤一三、对第一方向盘转角δ1、第二方向盘转角δ2、第三方向盘转角δ3进行加权，即：
[0017]δ＝w1·
δ1+w2·
δ2+w3·
δ3[0018]式中，w1、w2和w3分别为δ1，δ2和δ3的权重；即获得最终的方向盘转角δ。
[0019]进一步地，步骤一一的具体过程为：车辆通过弧形路径轨迹到达远点，其车辆坐标系旋转了质心侧滑角β，根据几何关系和坐标变换方程，获得曲率半径R，其计算公式为：
[0020][0021]式中，l
′
d
＝cosβ
·
l
d
+sinβ
·
y
e
，y
′
e
＝
‑
sinβ
·
l
d
+cosβ
·
y
e
；
[0022]根据稳态转向运动公式，计算获得远点的第一横摆角速度ω1：
[0023][0024]则第一方向盘转角δ1为：
[0025]δ1＝ω1·
Y(S)
[0026]式中，Y(S)表示方向盘转角对横摆角速度的传递函数；
[0027]δ2＝ω2·
Y(S)
[0028]式中，ω2表示第二横摆角速度，
[0029]进一步地，步骤一二中采用滑模控制方法，首先获得近点的第三横摆角速度ω3：
[0030][0031]式中，η和k表示接近率参数；sgn(S)表示符号函数；
[0032]S表示车辆质心横向偏移的滑动面切换函数；λ1>0，λ2>0均表示滑膜面系数；y
eg
表示质心处横向偏差；表示近点航向角偏差；
[0033]考虑车辆消除近点误差所需的时间和跟踪精度，对第三横摆角速度ω3进行修正，则修正后的第三横摆角速度表示为横摆角加速度α3：
[0034][0035]式中，t表示车辆消除近点误差所需的时间；ε表示用于消除直接运用带来的不良影响的修正参数。
[0036]进一步地，步骤二中所述纵向跟踪控制模型按照以下过程控制车辆行驶速度：
[0037]根据实时的预瞄点远点的曲率半径R
d
，计算获得预瞄车速v
d
；
[0038]设车辆在预设预瞄时间T
p
内匀加速，根据预瞄车速v
d
、当前车速v、预设预瞄时间T
p
计算获得预瞄加速度a
d
；
[0039]根据车型参数及车辆动力学公式计算获得加速度阈值，以当所述预瞄加速度a
d
>0时输出油门踏板开度；当所述预瞄加速度a
d
<0且超过所述加速度阈值时，输出制动踏板开度；否则油门踏板和制动踏板开度输出均为零。
[0040]进一步地，步骤二中所述预瞄车速v
d
计算公式为：
[0041][0042]式中，a
ymax
表示预设最大侧向加速度；R
m
表示预设最大曲率半径。
[0043]进一步地，步骤二中所述加速度阈值计算公式为：
[0044][0045]式中，G为车辆重量；f为滚动阻力系数；m表示车辆质量；C
D
为空气阻力系数；A为迎风面积。
[0046]进一步地，步骤三中将横向跟踪控制模型和纵向跟踪控制模型进行耦合为：考虑车辆速度变化和车辆转向半径，将方向盘转角转换为车辆转向半径，并采用多项式拟合方法，将横摆角速度增益表示为车速和转向半径的函数，则横摆角速度增益G
ω
表示为：
[0047]G
ω
＝c
00
+(c
11
·
v+c
12
·
r)+(c
21
·
v2+c
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于两点预瞄的路径跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、基于驾驶员角度建立具有两个预瞄点的横向跟踪控制模型，以控制车辆的方向盘转角；其中，预瞄点包括远点和近点；步骤二、建立纵向跟踪控制模型，以控制车辆行驶速度；步骤三、将横向跟踪控制模型和纵向跟踪控制模型进行耦合，以对无人驾驶的车辆进行路径跟踪。2.根据权利要求1所述的一种基于两点预瞄的路径跟踪控制方法，其特征在于，步骤一中所述近点位于车辆前轴中心，所述远点由当前车速v和预设预瞄时间T
p
确定：以车辆质心为起点，沿车辆直线行驶方向的预瞄距离l
d
处，预瞄距离l
d
定义为：式中，v
m
表示最低车速。3.根据权利要求2所述的一种基于两点预瞄的路径跟踪控制方法，其特征在于，步骤一的具体步骤包括：步骤一一、对于远点，采用最优曲率模型，设车辆通过弧形路径轨迹到达远点，且轨迹存在最优曲率1/R；根据远点横向距离偏差y
e
、预瞄距离l
d
和坐标变换方程计算获得曲率半径R；根据曲率半径R计算获得第一方向盘转角δ1；所述远点横向距离偏差y
e
为起始位置车辆坐标系原点与车辆到达远点时的质心之间的距离在起始位置车辆坐标系y轴上的投影；根据远点航向角误差和预设预瞄时间T
p
计算获得第二方向盘转角δ2；步骤一二、对于近点，采用滑模控制方法，计算获得横摆角加速度α3；在时间上对横摆角加速度α3进行积分，获得第三方向盘转角δ3；步骤一三、对第一方向盘转角δ1、第二方向盘转角δ2、第三方向盘转角δ3进行加权，即：δ＝w1·
δ1+w2·
δ2+w3·
δ3式中，w1、w2和w3分别为δ1，δ2和δ3的权重；即获得最终的方向盘转角δ。4.根据权利要求3所述的一种基于两点预瞄的路径跟踪控制方法，其特征在于，步骤一一的具体过程为：车辆通过弧形路径轨迹到达远点，其车辆坐标系旋转了质心侧滑角β，根据几何关系和坐标变换方程，获得曲率半径R，其计算公式为：式中，l
′
d
＝cosβ
·
l
d
+sinβ
·
y
e
，y
′
e
＝
‑
sinβ
·
l
d
+cosβ
·
y
e
；根据稳态转向运动公式，计算获得远点的第一横摆角速度ω1：则第一方向盘转角δ1为：δ1＝ω1·
Y(S)式中，Y(S)表示方向盘转角对横摆角速度的传递函数；δ2＝ω2·
Y(S)式中，ω2表示第二横摆角速度，
5.根据权利要求4所述的一种基于两点预瞄的路径跟踪控制方法，其特征在于，步骤一二中采用滑模控制方法，首先获得近点的第三横摆角速度ω3：式中，η和k表示接近率参数；sgn(S)表示符号函数；这里的S表示车辆质心横向偏移的滑动面切换函数；λ1＞0，λ2＞0均表示滑膜面系数；y
eg
表示质心处横向偏差；表示近点航向角偏差；考虑车辆...

【专利技术属性】
技术研发人员：李卫华，王艳桃，李国庆，白宇，徐荣嵘，王剑锋，
申请(专利权)人：国网智慧能源交通技术创新中心苏州有限公司，
类型：发明
国别省市：