一种智能驾驶车辆轨迹跟踪控制方法与流程

本发明涉及车辆智能驾驶技术领域，具体涉及一种智能驾驶车辆轨迹跟踪控制方法。

背景技术：

无人驾驶车辆是通过车载传感系统感知道路环境，自动规划行车路线并控制车辆到达预定目标的智能车辆。它是利用车载传感器来感知车辆周围环境，并根据感知所获得的道路、车辆位置和障碍物信息，控制车辆的转向和速度，从而使车辆能够安全、可靠地在道路上行驶。集自动控制、体系结构、人工智能、视觉计算等众多技术于一体，是计算机科学、模式识别和智能控制技术高度发展的产物，也是衡量一个国家科研实力和工业水平的一个重要标志，在国防和国民经济领域具有广阔的应用前景。

路径跟踪控制是无人驾驶车研究的关键技术之一，目前路径跟踪问题的提法有很多，它们有一个共同点：控制目的是使被控对象能精确地沿着期望的几何路径行走。可将无人驾驶车的路径跟踪问题描述为：在一定的体系结构下，能够精确跟踪传感器给出的道路信息，或在无道路信息下跟踪虚拟的期望路径的控制策略的研究。国内外在路径跟踪控制方面已经做了大量研究，目前面临的主要问题是：由于驾驶员驾驶特性的非线性、时变性等特征以及车辆的动力学特性，这样得到的车辆模型对输入信号的响应与真实车辆的实际响应相比会有差距。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术中的问题，提供一种改进的智能驾驶车辆轨迹跟踪控制方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种智能驾驶车辆轨迹跟踪控制方法，包括以下步骤：

a.生成车辆行驶的目标路径曲线，目标路径曲线由点序列组成；

b.计算得出目标路径曲线上点序列中距车辆当前位置最近的点，并基于该点确定车辆在目标路径曲线上的预瞄点的位置；

c.确定车辆由当前位置经过预瞄时间所实际到达的位置；

d.确定车辆经过预瞄时间实际到达的位置与预瞄点的位置二者之间的侧向路径偏差；

e.基于侧向路径偏差，采用控制算法计算输出车辆的转向盘的转角增量；

f.根据转向盘的转角增量控制车辆的转向盘的转动角度。

优选地，车辆在目标路径曲线上的预瞄点的位置通过计算目标路径曲线上预瞄点在车辆坐标系中的纵坐标值获得。

进一步地，车辆在目标路径曲线上的预瞄点在车辆坐标系中的纵坐标值为：yp＝-(xp+m-xc)sinψ+(yp+m-yc)cosψ，其中xp+m、yp+m为预瞄曲线段终点序号的位置，xc、yc为车辆当前位置，ψ为方位角。

更进一步地，令p为目标路径曲线上点序列中距车辆当前位置最近的点jp的序号，p的初值为0，令jp,jp+1,jp+2…jp+m为目标曲线路径上的预瞄曲线段，其长度为预瞄距离u·tp，其中，u为车辆行驶速度，tp为预瞄时间，由此确定预瞄曲线段的终点jp+m序号为其中l0为点序列中相邻两点之间的距离。

优选地，车辆由当前位置经过预瞄时间实际到达的位置在车辆坐标系中的纵坐标值为：其中车辆当前行驶速度为v，纵向速度分量为u，两者之间夹角为β，车辆从当前位置c以横摆角速度ωr沿目标路径曲线经过预瞄时间tp实际到达q点位置。

优选地，步骤e中采用pid控制算法计算输出车辆的转向盘的转角增量。

进一步地，转向盘的转角增量为δθsw＝kpey+kdey+ki∫eye^-λtdt，其中，ey为侧向路径偏差，kp为比例增益，ki为积分增益，kd为微分增益，λ为遗忘因子，λ大于0。

优选地，步骤a中的目标路径曲线为正弦波曲线和/或双移线曲线。

由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明的智能驾驶车辆轨迹跟踪控制方法通过计算车辆经过预瞄时间实际到达的位置与预瞄点的位置二者之间的侧向路径偏差，并基于该侧向路径偏差采用一定的控制算法，控制输出转向盘的转角增量，然后基于该值对车辆的转向盘的转角进行调整，在车辆行驶过程中，对车辆转向控制不断进行修正，达到较为理想的控制效果，很好地解决了智能车辆在主动转向控制过程中出现的稳定性问题和精确性问题，改善了现有的主动转向控制技术。

附图说明

附图1为本发明的智能驾驶车辆轨迹跟踪控制方法的流程图；

附图2为本发明的智能驾驶车辆对目标路径曲线的跟踪效果图之一(正弦波形目标路径曲线，车辆速度为20km/h)；

附图3为本发明的智能驾驶车辆对目标路径曲线的跟踪效果图之二(正弦波形目标路径曲线，车辆速度为40km/h)；

附图4为本发明的智能驾驶车辆对目标路径曲线的跟踪效果图之三(双移线形目标路径曲线，车辆速度为20km/h)；

附图5为本发明的智能驾驶车辆对目标路径曲线的跟踪效果图之四(双移线形目标路径曲线，车辆速度为40km/h)。

具体实施方式

下面结合附图来对本发明的技术方案作进一步的阐述。

本发明的智能驾驶车辆轨迹跟踪控制方法控制流程图如图1所示，具体包括如下步骤：

(1)采用轨迹生成器生成车辆行驶的目标路径曲线，目标路径曲线由点序列组成。

目标路径曲线由点序列{j0,j1,j2,…,jn}组成。其中j0和jn分别为目标路径曲线的起点和终点。目标路径曲线上各点在车辆坐标系中的坐标为(xi,yi)，i＝0,1,2,…,n。这些点均通过采样得到，相邻两点之间距离设为l0。

(2)计算得出目标路径曲线上点序列中距车辆当前位置最近的点，并基于该点确定车辆在目标路径曲线上的预瞄点的位置。

车辆在目标路径曲线上的预瞄点的位置通过计算目标路径曲线上预瞄点在车辆坐标系中的纵坐标值获得，具体计算方法如下：

设车辆当前位置为(xc,yc)、方位角为ψ，则上述目标路径曲线上各点在车辆坐标系中的坐标为：

令p为目标路径曲线上点序列中距车辆当前位置最近的点jp的序号，0≤p≤n。p的初值为0，车辆起步后通过实时搜索最近点确定p的动态值。令jp,jp+1,jp+2…jp+m为目标路径曲线上的预瞄曲线段，其长度为预瞄距离utp，u为车辆行驶速度的纵向速度分量，tp为预瞄时间。由此大致确定该线段的终点jp+m序号为：

因此，目标路径曲线上预瞄点p在车辆坐标系中的纵坐标值yp为：

yp＝-(xp+m-xc)sinψ+(yp+m-yc)cosψ

式中，xp+m、yp+m为预瞄曲线段终点序号的位置，xc、yc为车辆当前位置，ψ为方位角。

(3)确定车辆由当前位置经过预瞄时间tp所实际到达的位置。

车辆由当前位置经过预瞄时间tp所实际到达的位置在车辆坐标系中的纵坐标值的计算方法如下：

设t时刻目标路径曲线在车辆坐标系中的方程为y＝f(x)，车辆当前行驶速度为v，纵向速度分量为u，两者夹角为β，即航向角，当车辆从当前位置c以横摆角速度ωr沿路径cq行驶到q点时，经历预瞄时间tp，因此其转过的角度为θq＝ωrtp，直线cq相对于车辆速度矢量的夹角为θq/2，所以该直线相对于x轴的夹角为θq/2+β。因此q点在车辆坐标系中的纵坐标值yq为：

式中，为车辆从当前位置c点到达q点的直线距离。

(4)确定车辆经过预瞄时间实际到达的位置与预瞄点的位置二者之间的侧向路径偏差ey。

侧向路径偏差ey通过下式计算：

ey＝yp-yq

(5)基于侧向路径偏差ey，采用控制算法计算输出车辆的转向盘的转角增量。

本实施例中，根据侧向路径偏差ey，采用pid控制算法，输出车辆的转向盘的转角增量，转向盘的转角增量通过下式计算：

δθsw＝kpey+kdey+ki∫eye^-λtdt

其中kp为比例增益，ki为积分增益，kd为微分增益，λ为遗忘因子，λ>0。

(6)根据pid控制算法获得转向盘的转角增量后，对当前行驶状态下的车辆的转向盘进行调整，使其转动相应的角度。

如此，在车辆行驶过程中，对车辆的转向盘的转动角度不断进行修正。

本发明利用carsim软件提供的车辆模型在matlab/simulink环境中完成仿真试验，本实施例中仿真设定的目标路径曲线分别为正弦波曲线和双移线曲线两种工况，车辆行驶速度分别为20km/h、40km/h，目标路径曲线上相邻两点之间的距离l0设为1m，采用pid控制算法计算输出车辆的转向盘的转角增量时，kp＝60，ki＝1，kd＝0。

在matlab/simulink环境中完成仿真试验结果如2～图5所示，图2和图3是正弦波路径下车速分别为20km/h和40km/h时车辆对目标路径曲线的跟踪效果，车辆能够高效、准确的进行转向控制和路径跟踪。图4和5是双移线工况下车速分别为20km/h和40km/h时车辆对目标路径曲线的跟踪效果，车辆也能够高效、准确的进行转向控制和路径跟踪。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。