一种自动驾驶汽车跟车工况控制方法及系统与流程

本发明涉及自动驾驶汽车领域，具体为一种自动驾驶汽车跟车工况控制方法及系统。
背景技术：
：在城市化的快速推进过程中，全球汽车保有量不断增长，汽车在人们的生活工作得到了越来越广泛的应用。汽车在给人们的出行带来极大的便利，随之而来的比如交通安全、环境污染和交通拥堵等问题也成为日益成为城市治理的难题。为了有效应对上述挑战，发达国家，如日本，美国，欧洲等己经投入了大量人力物力研究并应用智能交通系统。智能交通系统的核心理念是用系统的观念来将道路环境和智能车辆看作一个不可分割的有机整体来进行分析研究。因此，智能车辆系统是智能交通系统的一个重要组成部分，它的原理是利用车载传感器来感知和获取外部的道路环境信息、内部的车辆自身状态信息等，车辆的转向，速度和换道实现实时的自动控制，最终实现车辆的自动驾驶。自动驾驶由传感器、计算机和控制系统取代人完成驾驶行为，杜绝了驾驶员的主观因素，在控制策略足够完善的前提下，从理论上将事故率降为零。从驾驶的劳动强度上，自动驾驶将人完全从驾驶中解放出来，增加了人的自由时间，降低人的劳动强度。与此同时，自动驾驶技术的进步，既能促进现有的车辆的控制方式的发展和革新，又能有效促进辅助驾驶的发展，可以加速相关学科的研究，如车辆控制、计算机、多传感器系统等，智能化水平正逐渐成为衡量汽车工业水平和研发实力的一个重要指标。因此，需要设计一种自动驾驶汽车跟车工况控制设计及实现方法来解决此类问题。本文中，横摆运动是指绕垂直的z轴的转动，横向运动是在平面内的平移运动。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种自动驾驶汽车跟车工况控制方法，以解决上述中提出的问题。本控制方法在跟车自主行驶工况下，能实现横向和纵向运动的智能化控制。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：提供一种自动驾驶汽车跟车工况控制方法，包括步骤：获取车道前方路况视频，截取目标图像，得到实时车距、偏航角、横向距离和弯道曲率；实时检测车速，转向角和加速度信号，作为闭环控制的反馈信号；根据实时车距和加速度，建立安全车距模型，同时在安全车距模型的基础上，制定自动变速和制动耦合上层控制策略；根据偏航角和横向距离信号，制定车辆姿态控制策略，自动调整修正车辆姿态；据弯道曲率，建立弯道行驶安全性评价模型，制定弯道自主转向上层控制策略。本方案中，通过采集各种数据作为输入参数，制定自动变速和制动耦合上层控制策略、车辆姿态控制策略以及弯道自主转向上层控制策略，实现了智能电动汽车在跟车自主行驶下的智能化。进一步地，对视频流进行每秒预定帧数的帧提取，每次帧提取得到单幅图像，此图像即为目标图像，将目标图像输入上位机中，上位机通过所述单目视觉和车牌识别的车距测量算法得到实时车距，通过单目视觉算法分别得到偏航角，横向距离和弯道曲率。进一步地，采用所述自主变速和制动耦合上层控制策略和自整定模糊pid纵向运动下层控制算法实时控制驱动轮毂电机的调速电压和制动推杆电机的推杆行程，来控制智能电动汽车的车速，加速度和制动轮缸压力，即实现了智能电动汽车在跟车自主行驶下的智能化和实时性的纵向运动控制。进一步地，采用所述弯道自主转向上层控制策略和横向运动控制算法通过实施控制转向步进电机的电机转角，来控制汽车的方向盘转向角，即实现了智能电动汽车在跟车自主行驶下的智能化和实时性的横向运动控制。进一步地，所述横向运动控制算法包括以下步骤：s1.确定车辆横向运动模型；s2.确定车辆横摆运动模型；s3.利用lmi方法综合考虑弯道几何特征和横向偏差变化的评价函数设计，建立评价函数。进一步地，所述步骤s1中，车辆横向运动模型如下：其中，iz表示垂直方向的转动惯量，m是车的整备质量，cf是前轮胎侧偏刚度，cr是后轮胎侧偏刚度，a是质心到前轮距离，b是质心到后轮距离，δ是前轮转向角，fxf是车辆前轮纵向力，ψ是横摆角速度,x、y分别代表平面上x、y方向的位移。进一步地，所述步骤s2中，车辆横摆运动模型如下：其中，d3＝-a2cf-b2criz表示垂直方向的转动惯量，m是车的整备质量，cf是前轮胎侧偏刚度，cr是后轮胎侧偏刚度，a是质心到前轮距离，b是质心到后轮距离，δ是前轮转向角，fxf是车辆前轮纵向力，ψ是横摆角速度，x、y分别代表平面上x、y方向的位移。进一步地，所述步骤s3中，评价函数为：式中，第一项是激励项目由道路特性造成车辆速度变化产生。第二项为补偿项目，该项目用于平衡弯道曲率带来的离心力和横摆力矩作用。第三项项目用于补偿目标车速vd与实时车速之间的差值。λ1、λ2、λ3分别为每项的权重因子，通过在线仿真进行调节，提高控制精度；其中φ是横摆角，c为目标位移弯道曲率，c0是当前弯道曲率，c1是弯道变化率，d是目标位移，vd为当前给定车速，x1表示车辆在带坡道的路面上转完时的横向位移，x2等于车辆在带坡道的路面上转完时的纵向位移，x3等于车辆在带坡道的路面上转完时的横摆角，x为平面上沿x方向的位移，u2为控制量。本发明的另一目的在于提供一种自动驾驶汽车跟车工况控制系统，包括摄像头、上位机、整车控制器、整车加速度传感器、方向盘转角传感器、霍尔车速传感器；所述整车控制器连接有驾驶员接管接口，用于接收驾驶员行动信号；所述摄像头实时拍摄车道前方路况得到视频流，上位机接收视频流中的目标图像，得到实时车距、偏航角、横向距离和弯道曲率；所述霍尔车速传感器，方向盘转角传感器和整车加速度传感器分别实时检测车速，转向角和加速度信号并输入到整车控制器中，作为闭环控制的反馈信号；所述整车控制器根据接收的各信号，控制汽车轮毂电机、转向步进电机、制动推杆电机动作。进一步地，所述方向盘转角传感器包括磁钢、从动轮、旋转角度位置传感芯片、主动齿轮、电路板、cpu控制单元、转向管柱以及光电开关；所述转向管柱与汽车方向盘连接，转向管柱的另一端连接主动齿轮，主动齿轮与从动轮相互啮合，磁钢设置在从动齿轮上方；所述光电开关用于感应磁钢周围磁场变化，由旋转角度位置传感芯片感应并将处理后的信号发送给cpu控制单元；所述cpu控制单元与整车控制器连接。工作原理：整车控制器接收所述上位机传来的车距，偏航角，横向距离和弯道曲率等输入信号，以及方向盘转角传感器的转向角信号，霍尔车速传感器的车速信号和整车加速度传感器的加速度信号等反馈信号，自动调用自主变速，制动和转向的上层控制策略和下层控制算法，车辆姿态控制策略，实时控制驱动轮毂电机的调速电压，转向步进电机的电机转角和制动推杆电机的推杆行程，从而实时和智能化地控制了智能电动汽车的车速，加速度，制动轮缸压力和方向盘转角，即实现了智能电动汽车在跟车自主行驶下的智能化和实时性的纵向和横向的耦合运动控制。与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过自身传感器感知周围信息的智能汽车，针对智能汽车在跟车自主行驶工况下对横向和纵向运动实现智能化和实时性控制的要求，进行了跟车工况下整车控制系统的信息感知与输入研究，设计了自动变速和制动耦合上层控制策略和下层控制算法，及横向运动上层控制策略和下层控制算法，在此基础上完成整车控制系统的软硬件设计，并通过仿真和实车实验验证控制系统的性能。附图说明图1为实施例2整车控制系统硬件总体结构框图。图2为实施例2方向盘转角传感器整体结构图。图3为实施例2霍尔式车速传感器控制逻辑电路图。图4为实施例2加速度传感器电路原理图。图5为实施例2驱动轮毂电机控制电路原理图。图6为实施例2转向步进电机控制电路原理图。图7为实施例2制动推杆电机控制电路原理图。图8为实施例2控制主流程图。图9为实施例1的自整定模糊pid纵向运动下层控制原理图。附图标记中：1-整车控制器；2-驾驶员接管接口；3-单目摄像机；31-上位机；32-车距；33-偏航角；34-横向距离；35-弯道曲率；4-车速；41-霍尔式车速传感器；5-转向角；51-方向盘转角传感器；52-磁钢；53-从动齿轮；54-霍尔传感器；55-主动齿轮；56-电路板；57-cpu控制单元；58-转向管柱；59-光电开关；6-加速度；61-整车加速传感器；7-调速电压；71-驱动轮毂电机；8-电机转角；81-转向步进电机；9-推杆行程；91-制动推杆电机。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。所述本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例1本实施例提供一种自动驾驶汽车跟车工况控制方法，包括步骤：(1)获取车道前方路况视频，截取目标图像，得到实时车距、偏航角、横向距离和弯道曲率。具体地，对视频流进行每秒预定帧数的帧提取，每次帧提取得到单幅图像，此图像即为目标图像，将目标图像输入上位机中，上位机通过所述单目视觉和车牌识别的车距测量算法得到实时车距，通过单目视觉算法分别得到偏航角，横向距离和弯道曲率。(2)实时检测车速，转向角和加速度信号，作为闭环控制的反馈信号；根据实时车距和加速度，建立安全车距模型，同时在安全车距模型的基础上，制定自动变速和制动耦合上层控制策略。采用所述自主变速和制动耦合上层控制策略和自整定模糊pid纵向运动下层控制算法实时控制驱动轮毂电机的调速电压和制动推杆电机的推杆行程，来控制智能电动汽车的车速，加速度和制动轮缸压力，即实现了智能电动汽车在跟车自主行驶下的智能化和实时性的纵向运动控制。其中，如图9所示，自整定模糊pid纵向运动下层控制算法具体如下：模糊自整定即根据控制参数的偏差、偏差变化率以及参数间的模糊关系，调整控制参数，常用于pid控制器参数的调节。pid控制的参数模糊自整定方法的基本思想是：根据偏差e和偏差的导数ec与pid的三个参数(kp、ki和kd)的模糊关系，制定模糊规则库。自整定模糊pid控制结构图如图9所示：pid的参数整定在初值上进行的，即：kp＝kp0+δkpki＝ki0+δkikd＝kd0+δkd上述公式中，kp0是p的初值，ki0是i的初值，kd0是d的初值。系统依据偏差e和偏差的导数ec，然后通过模糊推理推导出三个参数的自整定量，δkp，δki，δkd实现参数的在线整定。(3)根据偏航角和横向距离信号，制定车辆姿态控制策略，自动调整修正车辆姿态。(4)根据弯道曲率，建立弯道行驶安全性评价模型，制定弯道自主转向上层控制策略。采用所述弯道自主转向上层控制策略和横向运动控制算法通过实施控制转向步进电机的电机转角，来控制汽车的方向盘转向角，即实现了智能电动汽车在跟车自主行驶下的智能化和实时性的横向运动控制。具体地，所述横向运动控制算法包括以下步骤：s1.确定车辆横向运动模型；横向运动模型如下：其中，iz表示垂直方向的转动惯量，m是车的整备质量，cf是前轮胎侧偏刚度，cr是后轮胎侧偏刚度，a是质心到前轮距离，b是质心到后轮距离，δ是前轮转向角，fxf是车辆前轮纵向力，ψ是横摆角速度,x、y分别代表平面上x、y方向的位移。s2.确定车辆横摆运动模型；车辆横摆运动模型如下：其中，d3＝-a2cf-b2criz表示垂直方向的转动惯量，m是车的整备质量，cf是前轮胎侧偏刚度，cr是后轮胎侧偏刚度，a是质心到前轮距离，b是质心到后轮距离，δ是前轮转向角，fxf是车辆前轮纵向力，ψ是横摆角速度,x、y分别代表平面上x、y方向的位移。s3.利用lmi方法综合考虑弯道几何特征和横向偏差变化的评价函数设计，建立如下评价函数：式中，第一项是激励项目由道路特性造成车辆速度变化产生。第二项为补偿项目，该项目用于平衡弯道曲率带来的离心力和横摆力矩作用。第三项项目用于补偿目标车速vd与实时车速之间的差值。λ1、λ2、λ3分别为每项的权重因子，通过在线仿真进行调节，提高控制精度。其中φ是横摆角，c为目标位移弯道曲率，c0是当前弯道曲率，c1是弯道变化率，d是目标位移，vd为当前给定车速，x1表示车辆在带坡道的路面上转完时的横向位移，x2等于车辆在带坡道的路面上转完时的纵向位移，x3等于车辆在带坡道的路面上转完时的横摆角，x为平面上沿x方向的位移，u2为控制量。实施例2本实施例提供一种自动驾驶汽车跟车工况控制系统。如图1所示，控制系统包括摄像头3、上位机31、整车控制器1、整车加速度传感器61、方向盘转角传感器51、霍尔车速传感器41；所述整车控制器1连接有驾驶员接管接口2，用于接收驾驶员行动信号。本实施例的摄像头采用单目摄像机。整车控制器1的输入参数包括车距32、偏航角33、横向距离34、弯道曲率35；所述车距32、偏航角33、横向距离34、弯道曲率35是通过述单目摄像机3与上位机31连接，获取测量参数。输入参数还包括车速4、转向角5、加速度6。车速4通过霍尔式车速传感器41测量。转向角5通过方向盘转角传感器51测量。加速度通过加速传感器61测量。整车控制器1与驾驶员接管接口2连接，接收驾驶员行动信号，并与输入参数结合，确定输出参数。所述输出参数包括：调速电压7，所述调速电压7通过驱动轮毂电机71完成电压调节；电机转角8，所述电机转角通过转向步进电81确定；推杆行程9；所述汽车的制动踏板连接有制动推杆电机91；所述推杆行程通过制动推杆电机91进行调节。作为本实施例的一个具体实施方式，整车控制器1采用32位低功耗微控制器stm32f103r8t6。其参数为：工作电压2～3.6v，工作频率为72mhz，内置高速存储器(64k字节的闪存和20kb字节的sram)，32个增强i/0端口和联接到两条apb总线的外设；还包含2个12位的adc，4个通用16位定时器和2个pwm定时器；同时还配置有标准和先进的通信接口：2个i2c、2个spi、2个i2s、1个sdio、3个usart、一个usb和一个can。单目摄像机的功能是实时拍摄本车道前方路况得到视频流，对视频流进行每秒40帧的图像取样，得到某时刻单幅的目标图像。本实施例中，单目摄像机参数如表一所示：表一所述上位机对目标图像进行图像处理后获取车距、偏航角、横向距离和弯道曲率等控制系统的输入参数。上位机进行图像处理的准确性和实时性将直接影响控制系统的信号输入质量，上位机的cpu参数、显卡参数和软件平台参数将决定上位机图像处理的性能。本实施例中，上位机的主要参数如表二所示：表二上位机型号华硕x550vb显示器华硕vx207cpuinter(r)corei5-3230mcpu@2.60ghz内存4gb操作系统microsoftwindows7主硬盘750gb显卡nvidiageforcegt740m如图2所示，所述方向盘转角传感器51包括磁钢52、从动轮53、主动齿轮55、电路板56、cpu控制单元57、转向管柱58、光电开关59以及旋转角度位置传感芯片；主动齿轮55一端与转向管柱58连接，主动齿轮55一端与从动轮53配合，磁钢52安装在从动齿轮53外圈，磁钢52产生的电信号通过光电开关59计量，并通过依次通过电路板56、cpu控制单元57向整车控制器1输送信号，具体原理如下：方向盘转动时通过转向管柱58带动主动齿轮55转动，此时从动齿轮53的转动引起从动齿轮53上方磁钢52周围磁场方向的改变，并通过光电开关59监测磁场方向变化，这种变化由旋转角度位置传感芯片检测并输出与磁钢52转动角度呈线性关系的模拟电压，模拟电压通过电路板56输送给cpu控制单元57，此电压经cpu控制单元57计算得到的转角数据，然后经过can模块转换传送给整车控制器。本实施例中，cpu控制单元57采用dsp芯片，旋转角度位置传感器芯片采用mlx90316芯片。图3为霍尔车速传感器控制逻辑图。霍尔车速传感器与整车控制器的接线为：左后轮霍尔车速传感器信号口接整车控制器的pa6，右后轮霍尔车速传感器信号口接整车控制器的pa7。后轮轮毂上均布了6个小磁钢，霍尔转速传感器模块安装在现有的支架上，探头与磁钢有适度间隙。霍尔转速传感器共3个串口与整车控制器相连，+5v和gnd实现供电。信号口输出高低电平信号给整车控制器。每当小磁钢和传感器探头靠近一次，传感器模块信号口会输出一个高电平脉冲信号。单片机对单位时间内的脉冲进行计数，可以得到转速，转速乘以车轮周长得到车速。采用定时器的输入捕获功能，每次霍尔车速传感器获取到磁信号，单片机捕获一次，通过计算两次的时间tn，计算出转速如下式所示:如图4所示，为加速度传感器连接原理图。所述加速度传感器采用的是mpu六轴加速度传感器模块mpu6050。mpu6050内部整合了三轴陀螺仪和三轴加速度传感器，并且含有一个第二iic接口，可用于连接外部磁力传感器，并利用自带的数字运动处理器硬件加速引擎，通过主iic接口，向应用端输出完整的9轴融合演算数据。模块工作流程如下:(1)初始化iic接口；(2)复位mpu6050；(3)设置角速度传感器(陀螺仪)和加速度传感器的满量程范围。一般设置陀螺仪的满量程范围为士2000dps，加速度传感器的满量程范围为±2g；(4)关闭中断、关闭auxiic接口、关闭fifo、设置陀螺仪采样率和数字低通滤波器等。(5)配置系统时钟源并使能角速度传感器和加速度传感器(6)将y方向的加速度通过iic通信传输到单片机，y方向加速度即为需要的整车纵向加速度。如图5所示，所述驱动轮毂电机控制模块的工作原理为:(1)整车控制器stm32f103r8t6控制数字电位器x9c103输出电压变化0到5v的模拟信号电压。(2)通过0到5v的模拟电压信号控制keil轮毂电机控制器的转速输入引脚，从而控制轮毂电机转速。(3)通过霍尔传感器实时测出车速信号，实现反馈控制。数字电位器x9c103为100阶数字电位器，满量程阻值为10k。该电路由输入控制、计数器和译码器、非易失存储器及电阻阵列三部分组成。电阻阵列中包含99个单独的电阻在电位器两个端点(vh和vl)和每个电阻之间有一个电子开关，它能把该点的电位传输到滑动端。和三个引脚能控制滑动端在电阻阵列中移动的位置，当为低电平时，则x9c103被选中。此时和输入引脚才能接受信号。当z从了输入引脚由高到低变化可能增加或减少一个7位计数器的值，这主要决定输入引脚的电平。当为高电平，计数器的值增加；当为低电平，计数器的值减小。所述整车控制器stm32f103r8t6通过pco,pc1和pc2串口分别控制数字电位器x9c103的和引脚，使数字电位器的vw能够输出0到5v的模拟电压信号。如图6所示，所述转向步进电机的控制模块的工作原理为:整车控制器stm32f103r8t6通过i/0口控制步进电机驱动器，从而控制转向电机的运转方向、运转角度、运转速度和使能状态。具体控制过程如下:转向电机的旋转方向取决于dir电平信号，当dir悬空或为低电平时，电机顺时针运转；dir信号为高电平时，电机逆时针运转。整车控制器通过pc9串口控制dir电平信号。运转角度和运转速度通过pwm脉冲调速实现。脉冲信号为下降沿有效，运转角度由给定时间内的下降沿总数给出。运转速度由脉冲信号频率给出。整车控制器通过pa6串口控制pwm信号输出。en信号悬空或低电平时，光祸不导通，驱动器为使能状态，电机正常运转；en信号为高电平时(光祸导通)，驱动器功率部分关断，电机无励磁。整车控制器通过pc8串口控制en信号。转角传感器和信号处理的can模块将转角数字信号实时发送给整车控制器，输入根据反馈实现算法修正，完成闭环反馈自动转向控制系统。如图7所示，采用制动推杆电机用来代替人脚和踏板，推杆电机使用24v电源。整车控制器stm32f103r8t6通过pbo,pbl和pb2串口分别控制数字电位器x9c103的inc,cs和uld引脚，自动调节数字电位器x9c103的阻值，进而控制pwm信号调节推杆电机速率。通过pb6和pb7分别控制继电器的开与断，pbs和pb8置低电平时继电器的反转开关开启，推杆缩回，pb7置低电平时继电器的正转开关开启，推杆伸出，自动控制电机通电时间和推杆的运动方向。通过对电机推杆运动速率和通电时间的控制，实现了在给定时间内自动控制制动推杆电机推杆行程的目的。当前本车的制动减速度通过陀螺仪模块得出数字信号并传入整车控制器完成闭环反馈控制系统。所述驾驶员接管接口的硬件连接如下:包括与整车控制器i/o口连接的接管按键a，接管按键a控制整车控制器pb10置高低电平；当按下接管按键a时，pb10置低电平，驱动轮毂电机控制模块输出电压为ov,制动推杆电机控制模块的数字电位器输出最大阻值，同时继电器开启，使推杆电机推杆行程在短时间内达到最大，即本车以最大减速度进行制动操作。本控制系统可以采用实施例1的控制方法进行控制。综上所述，如图8所示的控制主流程图，车辆处在正常行驶状态，车载单目摄像头实时拍摄本车道前方路况得到视频流，对视频流进行每秒40帧的帧提取，每次帧提取得到单幅图像，此图像即为目标图像，将目标图像输入上位机中，上位机通过所述单目视觉和车牌识别的车距测量算法得到实时车距，通过单目视觉算法分别得到偏航角，横向距离和弯道曲率。上位机将实时车距，偏航角，横向距离和弯道曲率信号实时输入到整车控制器中。根据所述偏航角和横向距离信号，制定了车辆姿态控制策略，每秒自动调整修正车辆姿态。所述弯道曲率，建立了弯道行驶安全性评价模型。在弯道行驶安全性评价模型的基础上，制定了弯道自主转向上层控制策略。研究了与控制策略相匹配的横向运动下层控制算法。整车控制器通过弯道自主转向控制策略和横向运动控制算法实时控制转向步进电机的电机转角，从而实时和智能化地控制了智能电动汽车的方向盘转角，即实现了智能电动汽车在跟车自主行驶下的智能化和实时性的横向运动控制。霍尔车速传感器，方向盘转角传感器和整车加速度传感器实时检测车速，转向角和加速度信号并输入到整车控制器中，作为闭环控制系统的反馈信号。根据所述实时车距和加速度，建立了安全车距模型。在安全车距模型的基础上，制定了自动变速和制动耦合上层控制策略。研究了与控制策略相匹配的自整定模糊pid纵向运动下层控制算法。整车控制器通过自主变速和制动耦合上层控制策略和自整定模糊pid纵向运动下层控制算法实时控制驱动轮毂电机的调速电压和制动推杆电机的推杆行程，从而实时和智能化地控制了智能电动汽车的车速，加速度和制动轮缸压力，即实现了智能电动汽车在跟车自主行驶下的智能化和实时性的纵向运动控制。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。当前第1页12