[发明专利]一种自主驾驶车辆的区域型路径跟踪控制方法

摘要

本发明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。

主权项

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)，xr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fr(x)上的点的横坐标序列；yr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fr(x)上的点的纵坐标序列；xl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fl(x)上的点的横坐标序列；yl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fl(x)上的点的纵坐标序列；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))为可行道路区域边界的点序列(xr,yr,xl,yl)中的四组坐标点，其中i＝j,n,m,k；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，C＝[1 0 0 0]；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：minδf(k+i)JJ=||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:式中：Y(k+1|k)=yo(k+1)yo(k+2)...yo(k+P),R(k)=yr(k+1)yr(k+2)...yr(k+P),U(k)=δf(k)δf(k+1)...δf(k+N-1);]]>Ac=eATs,Bc=∫0TseAτdτ·B,Cc=C;]]>Δxd(k+i)＝v(k)·Ts；Δyd(k+i)＝yo(k+i)‑yo(k+i‑1)；Δδf(k+i)＝δf(k+i)‑δf(k+i‑1)；Cψ＝[0 1 0 0],Cβ＝[0 0 1 0]；并选取控制量即当前时刻最佳的前轮转角为：δf*=U*(1)---(33)]]>式中δf(k+i)为k+i时刻的系统控制量，即为车辆的前轮转角，单位，rad；x(k+i)为k+i时刻的系统状态向量；yo(k+i)为k+i时刻的系统输出，即车辆质心的侧向位置，单位，m；P为预测时域，N为控制时域；Γy和Γu为加权矩阵；Γd,i为权重因子；yr(k+i),i＝1,…,P为期望道路区域中心线f(x)的离散量，离散间隔为v(k)·Ts，单位，m；Δxd(k+i)为车辆在(k+i‑1)～(k+i)这一段时间内行驶的纵向位移，单位，m；Δyd(k+i)为车辆在(k+i‑1)～(k+i)这一段时间内行驶的侧向位移，单位，m；Δδf(k+i)为k+i时刻的控制增量，单位，rad；δfsat为转向执行机构所能实现的最大的前轮转角，单位，rad；Δδfsat转向执行机构所能实现的最大的前轮转角增量，单位，rad；fl'(k+i)为期望道路区域左边界线fl'(x)在时刻k+i的采样值，单位，m；fr'(k+i)则为期望道路区域右边界线fr'(x)在时刻k+i的采样值，单位，m；βrollover为车辆可能发生侧翻的临界量，单位，rad；Ts为采样时间，单位s；U*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。