【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及无人车控制，尤其是涉及一种基于微分平坦的人机随动自动驾驶方法和控制器。
技术介绍
1、近年来，大数据、人工智能、传感器和ai边缘计算设备的发展，并与传统产业的加速融合，极大程度上促进了无人车技术的发展，硬件设备的快速发展让无人车从简单的循迹跟踪任务，发展到复杂完整的自主导航。其中，上位机的更新迭代，带来了更高算力的提升，因此在无人车的自主导航功能上面，可以运行一些复杂的算法来实现更多场景中的路径规划。另一方面，环境感知能力的提升，让无人车可以完成自主避障和人机随动等复杂任务。
2、在无人车的控制器方面，传统的pid控制器存在跟踪控制精度不准确，对接收到的轨迹跟踪存在一定误差，并且控制器的跟踪控制依赖传感器观测数据的准确性。无人车需要在复杂环境中运行，当车辆在具有行人的复杂环境中运行时，只有不断地提升轨迹跟踪的精度，才能有效地保证无人车安全运行的准确性。
技术实现思路
1、本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种使得小车能够在大扰动环境中准确跟踪目标轨迹的基于微分平坦的人机随动自动驾驶方法和控制器。
2、本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
3、一种基于微分平坦的人机随动自动驾驶方法，包括以下步骤：
4、对无人车所处环境进行建图和定位，采用阿克曼转向模型构建车辆运动学模型，得到基于微分平坦的输出量和输入量关系，从而在平坦输出空间内进行运动轨迹规划；
5、根据运动轨迹规划结果计算出无人
6、根据计算出的无人车速度和前轮偏转角的命令值计算电机的pwm执行值，并进行闭环控制。
7、进一步地，采用阿克曼转向模型构建的车辆运动学模型的表达式为：
8、
9、式中，为在x轴方向的位置的一阶导数，为在y轴方向的位置的一阶导数，为车身方向角的一阶导数，v为速度，θ为车身方向角，l为前后车轴距，δ为前轮偏转角。
10、进一步地，所述基于微分平坦的输出量和输入量关系的表达式为：
11、
12、式中，v为速度，δ为前轮偏转角。
13、进一步地，所述运动轨迹规划过程具体为：
14、利用无人车系统的微分平坦特性进行多项式轨迹规划任务，利用代价函数的方式规划出一条平滑且动力学可行的轨迹；
15、将轨迹时间参数化，并根据多项式轨迹求得阿克曼无人车速度和前轮偏转角的命令值。
16、进一步地，所述电机的控制过程具体为：
17、将计算出的无人车速度和前轮偏转角的命令值，与所述车辆运动学模型联立；利用二次规划求解器求解出电机的pwm执行值；
18、根据pwm执行值对电机进行闭环pid控制。
19、进一步地，所述闭环pid控制采用基于串级pid控制方法的pid控制器，所述pid控制器的内环为姿态环pid控制器，外环为速度环pid控制器，所述pid控制器的控制率为：
20、
21、式中，u(t)为pid控制器的输出，kp为比例系数，ti为积分时间常数，td为微分时间常数，e(t)为偏差值。
22、本专利技术还提供一种基于微分平坦的人机随动自动驾驶控制器，包括：
23、上位机，用于对无人车所处环境进行建图和定位；
24、微分平坦轨迹规划模块，用于采用阿克曼转向模型构建车辆运动学模型，得到基于微分平坦的输出量和输入量关系，从而在平坦输出空间内进行运动轨迹规划；
25、微分平坦计算模块，用于根据运动轨迹规划结果计算出无人车速度和前轮偏转角的命令值；
26、控制板，用于根据计算出的无人车速度和前轮偏转角的命令值计算电机的pwm执行值，并进行闭环控制；
27、执行器，包括电机和车载传感器，所述电机用于根据pwm执行值动作，所述车载控制器用于向控制板反馈执行结果。
28、进一步地，所述微分平坦轨迹规划模块和微分平坦计算模块均封装在车载计算机中，该车载计算机设有与控制板通信的接口。
29、进一步地，采用阿克曼转向模型构建的车辆运动学模型的表达式为：
30、
31、式中，为在x轴方向的位置的一阶导数，为在y轴方向的位置的一阶导数，为车身方向角的一阶导数，v为速度，θ为车身方向角，l为前后车轴距，δ为前轮偏转角；
32、所述基于微分平坦的输出量和输入量关系的表达式为：
33、
34、所述运动轨迹规划过程具体为：
35、利用无人车系统的微分平坦特性进行多项式轨迹规划任务，利用代价函数的方式规划出一条平滑且动力学可行的轨迹；
36、将轨迹时间参数化，并根据多项式轨迹求得阿克曼无人车速度和前轮偏转角的命令值。
37、进一步地，所述电机的控制过程具体为：
38、将计算出的无人车速度和前轮偏转角的命令值，与所述车辆运动学模型联立；利用二次规划求解器求解出电机的pwm执行值；
39、根据pwm执行值对电机进行闭环pid控制；
40、所述闭环pid控制采用基于串级pid控制方法的pid控制器，所述pid控制器的内环为姿态环pid控制器，外环为速度环pid控制器，所述pid控制器的控制率为：
41、
42、式中，u(t)为pid控制器的输出，kp为比例系数，ti为积分时间常数，td为微分时间常数，e(t)为偏差值。
43、与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
44、本专利技术以无人车控制器的方式，把无人车作为一个微分平坦系统，在平坦输出空间内进行运动规划，得到一条平滑且动力学可行的运动轨迹，并把基于微分平坦的路径规划和跟踪控制，以及误差反馈跟踪控制功能集成于一体，降低无人车在对任务轨迹执行过程中的难度，减少传统控制器在轨迹跟踪控制上面的误差，提高控制系统的鲁棒性，使得小车能够在大扰动环境中准确跟踪目标轨迹。
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1.一种基于微分平坦的人机随动自动驾驶方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于微分平坦的人机随动自动驾驶方法，其特征在于，采用阿克曼转向模型构建的车辆运动学模型的表达式为：
3.根据权利要求2所述的一种基于微分平坦的人机随动自动驾驶方法，其特征在于，所述基于微分平坦的输出量和输入量关系的表达式为：
4.根据权利要求1所述的一种基于微分平坦的人机随动自动驾驶方法，其特征在于，所述运动轨迹规划过程具体为：
5.根据权利要求1所述的一种基于微分平坦的人机随动自动驾驶方法，其特征在于，所述电机的控制过程具体为：
6.根据权利要求5所述的一种基于微分平坦的人机随动自动驾驶方法，其特征在于，所述闭环PID控制采用基于串级PID控制方法的PID控制器，所述PID控制器的内环为姿态环PID控制器，外环为速度环PID控制器，所述PID控制器的控制率为：
7.一种基于微分平坦的人机随动自动驾驶控制器，其特征在于，包括：
8.根据权利要求7所述的一种基于微分平坦的人机随动自动驾驶控制器，其特征
9.根据权利要求7所述的一种基于微分平坦的人机随动自动驾驶控制器，其特征在于，采用阿克曼转向模型构建的车辆运动学模型的表达式为：
10.根据权利要求7所述的一种基于微分平坦的人机随动自动驾驶控制器，其特征在于，所述电机的控制过程具体为：
...【技术特征摘要】
1.一种基于微分平坦的人机随动自动驾驶方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于微分平坦的人机随动自动驾驶方法，其特征在于，采用阿克曼转向模型构建的车辆运动学模型的表达式为：
3.根据权利要求2所述的一种基于微分平坦的人机随动自动驾驶方法，其特征在于，所述基于微分平坦的输出量和输入量关系的表达式为：
4.根据权利要求1所述的一种基于微分平坦的人机随动自动驾驶方法，其特征在于，所述运动轨迹规划过程具体为：
5.根据权利要求1所述的一种基于微分平坦的人机随动自动驾驶方法，其特征在于，所述电机的控制过程具体为：
6.根据权利要求5所述的一种基于微分平坦的人机随动自动驾驶方法，其特征在于，所述闭环p...
【专利技术属性】
技术研发人员：董志岩，何力，胡宇，赵辰，薛照林，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：
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