一种无人驾驶车辆跟踪预定轨迹的智能控制方法技术

本发明专利技术公开了一种无人驾驶车辆跟踪预定轨迹的智能控制方法，特征是先建立车身坐标系，确定车辆自身位置信息；依据弧度值计算道路曲率特性的隶属度函数，定义模糊规则计算输出决策速度；按行驶1.5～2.5秒的距离在预定轨迹的坐标序列中搜索大于该距离并距车辆最近的轨迹点；采用自适应比例-微分-积分控制算法公式计算车辆运动的曲率；最后判断当前控制周期目标点是否为路点序列中被选中的最后一点：若是，则向刹车伺服控制系统输出信号启动刹车使车辆减速；若否，则使用控制器局域网模块输出电压信号保持控制油门开度使车辆继续前进。采用本发明专利技术能够使无人驾驶车辆实现对预定轨迹的跟踪功能，且对道路曲率特性变化具有一定的自适应能力。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于车辆自动控制方法
，具体涉及无人驾驶车辆跟踪预定轨迹的控制方法。
技术介绍
无人驾驶车辆是验证机器感知与认知理论和关键技术的最佳实验平台之一。它在军事领域的侦查、运输及排爆等场合具有很大的应用前景。同时，其涉及的感知、决策与控制等关键技术，对于智能交通领域和汽车电子领域相关产品的研发，也起到了极大的推动作用。世界主要发达国家将无人驾驶车辆作为展示人工智能技术水准和引领车辆工业未来的重要平台，纷纷开展无人驾驶车辆的研究。中国专利申请公开号CN101758855A提出的一种无人驾驶车辆转向装置及其控制方法，主要目的是实现无人驾驶车辆的自动转向控制。中国专利申请公开号CN101797917A 设计的一种无人驾驶车辆的制动装置，主要目的是实现无人驾驶车辆对制动装置的控制。 这两种装置涉及对车辆转向以及制动装置的改装方法，并采用伺服控制技术实现了对转向和制动装置的自动控制，是实现车辆无人驾驶控制的必要前提条件。中国专利申请号 200910234933. 6提出的一种“无人驾驶汽车”，包括车体、设于车体外的车载摄像头和传感器，设于车体内的GPS卫星定位系统和计算机控制系统；其中的传感器用于感受汽车前进道路上的障碍物，并将障碍物信息传送给计算机控制系统，计算机控制系统根据从车载摄像头、传感器和GPS卫星定位系统接收到的各种信息控制汽车的启动、速度变换及方向变换等功能。但该技术方案仅给出了一种无人驾驶汽车的感知和导航系统的配置方案，并没有给出如何控制车辆跟踪预期路径的方法。国防科技大学博士论文《自主驾驶汽车智能控制系统》提出了四层递阶式自主驾驶的系统结构，并对高速公路工况下的自主驾驶做了实验研究。但该论文中并没有充分公开控制算法中参数的取值。由于其针对的是高速公路工况，路面比较平直，该论文中并没有探讨对道路几何形状的定量估计问题，而道路的几何形状是决定车辆行驶速度的关键因素。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出，以克服现有技术的上述缺陷，实现无人驾驶车辆对预定轨迹的精确跟踪。本专利技术无人驾驶车辆跟踪预定轨迹的智能控制方法，在装有车载计算机和确定车辆相对预定轨迹位置的传感器GPS/INS定位系统的车辆上，车辆的转向机构采用电机驱动、涡轮蜗杆传动，电机轴与蜗杆直接连接，与蜗杆啮合的涡轮与方向盘转向柱固联；车辆的刹车机构采用电机驱动，采用滚珠丝杠传动，该电机的轴与滚珠丝杠机构的螺杆相连，滚珠丝杠机构的螺母与制动踏板固联；转向与制动控制系统采用编码器测量电机轴的转角， 采用一体化的电机控制和驱动系统作为转向机构的控制单元，通过控制器局域网络(简称 CAN)总线接收车载计算机发送的电机转角信息；采用控制器局域网络总线输出模拟电压信号来控制油门开度；采用路点坐标序列描述预定轨迹，采用等采样周期的计算机控制方式；其特征在于每个控制周期的操作步骤如下第一步、以车身安装GPS/INS定位系统处为坐标原点，以车辆首尾轴线为y轴，以车辆左右侧轴线为χ轴，建立车身坐标系；第二步、确定车辆自身位置信息，从预定轨迹中选择三个轨迹点，一个是车辆坐标点后5 IOm处的轨迹点记为后轨迹点A，另一个是车辆坐标点前方0 Im的轨迹点记为前近轨迹点B，再一个是车辆坐标点前方20 30m的轨迹点记为前远轨迹点C ；计算这三个轨迹点所形成的角度Z ABC的弧度θ，根据对Z ABC的弧度θ值的辨识来定义各段道路的曲率特性若θ彡1. 57，则该道路段为弯道(t)段；若1. 57 < θ彡2. 356，则该道路段为弧线(a)段；若2. 356 < θ ^ 3. 14，则该道路段为直线(1)段；第三步、依据ZABC的弧度θ值，按照下面给出的对直线段道路的隶属度函数，对弧线段道路的隶属度函数，和对弯道段道路的隶属度函数，计算当前道路曲率特性对直线段的隶属度函数值Stf、弧线段的隶属度函数值Saf和弯道段的隶属度函数值^f，记为隶属度函数值向量(stf，Saf, Slf)，其中，对直线段道路的隶属度函数 '1 0<0.78 1.57-没S^ —0.780.78<^<1.57⑴，0 没 >1.57 对弧线段道路的隶属度函数义=2(^-0.78) ~L57~ 2(2.236-0) 1.570.78<^<1.571.57<^<3.14(2)， 对弯道段道路的隶属度函数& =0 ^<1.57 没-1.570.781.57<^<2.356(3)；1 没 >2.356 定义车速的集合以车速快(VQ)、车速中等(VM)和车速慢(VL)分别对应速度 30km/h、20km/h和10km/h ；并定义模糊规则为当道路段的曲率为直线段时，设定的车速快；当道路段的曲率为弧线段时，设定的车速中等；当道路段的曲率为弯道段时，设定的车速慢；生成模糊关系矩阵 _1 R =11计算模糊响应值& =按照加权平均算法进行模糊判决，计算输出决策速度V = (10，20，30)TXRV⑷；第四步、按车辆以当前车速行驶1. 5 2. 5秒通过的距离，在预定轨迹的坐标序列中搜索大于该距离并距车辆最近的轨迹点；第五步、采用自适应比例-微分-积分控制(PID)算法公式l- = ^(kp-e(k) + kd(e(k) - e(k -1)))(5)，K U计算车辆运动的曲率，式中，d为当前控制周期车辆到当前控制周期目标点的距离，e(k)为当前控制周期的χ轴向误差；e(k-l)上一控制周期的χ轴向误差；当通过的道路段为弧线段和弯道段时，选择比例系数kp为0. 3 0. 5，微分系数kd为4 7 ；当通过的道路段为直线段时选择比例系数kp为0. 1，微分系数kd为2 4 ；第六步、根据计算出的车辆运动曲率，采用阿克尔曼几何关系δ = --i-L(6)R推算方向盘的转角δ，式中，i为转向系传动比，L为轴距；第七步、判断当前控制周期目标点是否为路点序列中被选中的最后一点，若是，则向刹车伺服控制系统输出信号，启动刹车使车辆减速，当χ轴向和y轴向误差为0时，完全刹车至车辆停止；若否，则使用控制器局域网络(CAN)模块输出电压信号保持控制油门开度使车辆继续前进。采用本专利技术无人驾驶车辆跟踪预定轨迹的智能控制方法，能够利用目标点相对车辆的位置，利用自适应PID算法确定方向盘的转向角度，使车辆跟踪预定轨迹，功能通用性强，且具有对道路环境自适应性。采用本专利技术无人驾驶车辆跟踪预定轨迹的智能控制方法的意义在于—、无人驾驶汽车对预定轨迹的跟踪能力，是评价无人驾驶汽车性能的重要指标之一，也是无人驾驶汽车能够安全、有效的完成预定任务的重要保障。采用本专利技术无人驾驶车辆跟踪预定轨迹的智能控制方法，能够简单有效的实现无人驾驶车辆对预期轨迹的跟踪，且能够达到较好的跟踪效果；二、由于采用本专利技术方法在控制过程中仅需要目标点相对车辆的坐标，而并不局限于某一种固定的传感器和定位手段，获取目标点相对车辆的坐标，既可以使用GPS系统， 也可以采用雷达、光学等传感器，因此本专利技术方法具有较好的普适性、通用性，能够适用于安装不同传感器的无人驾驶车辆。三、本专利技术采用在轨迹序列中选取前近轨迹点、前远轨迹点和后轨迹点形成的角度判断道路的几何形状，并借鉴已有常识的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：宋彦，赵盼，陶翔，梁华为，梅涛，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：