一种基于投影面积的无人车路径跟踪控制方法及装置

本发明涉及无人车运动控制，特别是指一种基于投影面积的无人车路径跟踪控制方法及装置。

背景技术：

1、传统的自动输送机通常只适用于低混合大规模生产的固定流程。相比之下，无人车能够在没有人工干预的情况下，根据实时的需求和环境变化，灵活地完成货物的运输和分配。无人车涉及多个学科的知识，如控制、机械、电子、通信和计算机科学等。随着智能自动化技术的进步，无人车可以承担更多的功能和角色，如执行危险、复杂或低效的任务，例如边境巡逻、智能制造中的物流管理、工业设备的检测和监控等，为各个领域提供了降低风险、提高效率和节约成本的新机遇。无人车的一个显著特点是它们对不同场景和环境的高度适应性，这使它们具有很强的灵活性，可以根据不同的任务和策略，形成车队编队，或者与人员协同作战。

2、无人车是一个集成了环境感知、定位、测绘、导航等功能的综合系统，无需人类直接输入即可执行部分或全部操作，已经成为了智能生产线的关键组成部分。无人车可以根据预设的路径点进行运动，也可以利用机器学习、计算机视觉和人工智能等先进技术，根据环境信息进行动态决策和导航。其自主导航能力依赖于机载处理系统，该系统可以运行人工智能和slam等算法，实现对环境的感知和定位。无人车的自主程度可以分为六个级别，从零级（无自主）到五级（完全自主），分别对应不同的人机交互模式和任务复杂度。然而，目前在一些特殊的场景和条件下还难以实现高级别的自主性，因此无人车的自主能力还需要根据具体的驾驶情况进行适当的调整和限制。

3、高精度固定路径跟踪是无人车的一项重要能力，越来越多的应用需要通过最小化误差来紧密跟踪指定路径。高级路径点通常由用户指定，它们在空间上相隔较远，一般为几十米或数百米。因此，路径跟踪算法需要具有足够的灵活性和适应性，能够在各种场景中有效地工作，并与其它相关的算法（如环境感知、定位、测绘等）协调配合。例如，在变电站巡检的应用中，无人车需要在一个固定的区域内按照设定的路径反复进行巡逻，无需进行全局的路径规划。然而，由于变电站环境中存在许多狭窄的道路，车辆的运动受到了很大的限制。为了保证变电站的安全，避免车辆因为偏离路径而发生碰撞等事故，路径跟踪的误差必须控制在5cm以内。因此，提高路径跟踪模块的鲁棒性和精度是提升无人车在这种情况下整体稳定性控制性能的必要条件。

4、申请号为202210134530.x的中国专利公开了一种基于自适应模型预测控制（model predictive control, mpc）的无人驾驶车辆路径跟踪方法，该方法中mpc控制系统根据历史数据和车辆模型，计算预测控制参数，自适应控制系统根据预测控制参数和实时反馈，向执行机构发送控制指令。该方法需要获取无人驾驶车辆传感器的历史数据，对计算量与存储空间需求大，且需要将预测控制参数输入不同的自适应控制系统，这可能会增加控制系统的复杂度和耦合性。申请号为202311049224.7的中国专利公开了一种移动机器人路径跟踪控制方法，其中提出的路径跟踪控制方法通过建立纯跟踪模型，通过航向偏差动态调节前视距离，将横向偏差和航向偏差作为反馈量，对前轮转角的控制量进行补偿。由于该方法直接建立纯跟踪模型，而机器人的移动速度只通过转弯半径进行限制，因此仅能对移动机器人的前轮转角进行精确控制，而无法计算出准确的动态速度。

5、因此，解决高精度、可靠的固定路径跟踪控制问题仍然是的一个有待研究的课题。

技术实现思路

1、为了解决现有技术存在的无法计算出准确的动态速度和前轮转向角的技术问题，本发明实施例提供了一种基于投影面积的无人车路径跟踪控制方法及装置。所述技术方案如下：

2、一方面，提供了一种基于投影面积的无人车路径跟踪控制方法，该方法由无人车路径跟踪控制设备实现，该方法包括：

3、s1、获取参考路径，将参考路径上的路径点在全局坐标系中的坐标转换为无人车的局部坐标系中的坐标；

4、s2、根据参考路径上的路径点在局部坐标系中的坐标，确定距离无人车最近的路径点；

5、s3、根据所述距离无人车最近的路径点，确定路径投影面积以及无人车前方路径长度，根据所述路径投影面积以及无人车前方路径长度，确定预瞄点；

6、s4、根据所述预瞄点，确定预瞄距离和航向偏差角；

7、s5、根据所述航向偏差角、预瞄距离、速度投影面积以及预设的无人车最大速度，确定无人车当前的期望速度和前轮转向角，根据所述无人车当前的期望速度和前轮转向角对无人车进行路径跟踪。

8、另一方面，提供了一种基于投影面积的无人车路径跟踪控制装置，该装置应用于基于投影面积的无人车路径跟踪控制方法，该装置包括：

9、转换模块，用于获取参考路径，将参考路径上的路径点在全局坐标系中的坐标转换为无人车的局部坐标系中的坐标；

10、第一确定模块，用于根据参考路径上的路径点在局部坐标系中的坐标，确定距离无人车最近的路径点；

11、第二确定模块，用于根据所述距离无人车最近的路径点，确定路径投影面积以及无人车前方路径长度，根据所述路径投影面积以及无人车前方路径长度，确定预瞄点；

12、第三确定模块，用于根据所述预瞄点，确定预瞄距离和航向偏差角；

13、控制模块，用于根据所述航向偏差角、预瞄距离、速度投影面积以及预设的无人车最大速度，确定无人车当前的期望速度和前轮转向角，根据所述无人车当前的期望速度和前轮转向角对无人车进行路径跟踪。

14、另一方面，提供一种无人车路径跟踪控制设备，所述无人车路径跟踪控制设备包括：处理器；存储器，所述存储器上存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令被所述处理器执行时，实现如上述基于投影面积的无人车路径跟踪控制方法中的任一项方法。

15、另一方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由处理器加载并执行以实现上述基于投影面积的无人车路径跟踪控制方法中的任一项方法。

16、本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

17、获取参考路径，将参考路径上的路径点在全局坐标系中的坐标转换为无人车的局部坐标系中的坐标；根据参考路径上的路径点在局部坐标系中的坐标，确定距离无人车最近的路径点；根据距离无人车最近的路径点，确定路径投影面积以及无人车前方路径长度，根据路径投影面积以及无人车前方路径长度，确定预瞄点；根据预瞄点，确定预瞄距离和航向偏差角；根据航向偏差角、预瞄距离、速度投影面积以及预设的无人车最大速度，确定无人车当前的期望速度和前轮转向角，根据无人车当前的期望速度和前轮转向角对无人车实现路径跟踪。与经典的纯跟踪算法不同，本发明实施例不需要预先设定预瞄距离，而是根据给定的参考路径，通过路径投影面积逐渐生成预瞄点。然后，通过自适应控制器根据参考路径信息调整车速，计算出最优控制命令，按照最优控制命令动态调整车速，使得无人车的路径跟踪精度大大提高。

技术特征：

1.一种基于投影面积的无人车路径跟踪控制方法，其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述s2的根据参考路径上的路径点在局部坐标系中的坐标，确定距离无人车最近的路径点，包括：

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述s3的根据所述距离无人车最近的路径点，确定路径投影面积以及无人车前方路径长度，根据所述路径投影面积以及无人车前方路径长度，确定预瞄点，包括：

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述s32的根据距离无人车最近的路径点与待定预瞄点的坐标，计算路径投影面积以及无人车前方路径长度，包括：

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述s4的根据所述预瞄点，确定预瞄距离和航向偏差角，包括：

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述s5的根据所述航向偏差角、预瞄距离、速度投影面积以及预设的无人车最大速度，确定无人车当前的期望速度和前轮转向角，包括：

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述s53的根据距离无人车最近的路径点与预瞄点之间的路径投影面积以及预设的速度投影面积阈值，确定速度投影面积，包括：

8.一种基于投影面积的无人车路径跟踪控制装置，其特征在于，所述装置用于实现一种基于投影面积的无人车路径跟踪控制方法，所述装置包括：

9.一种无人车路径跟踪控制设备，其特征在于，所述无人车路径跟踪控制设备包括：

10.一种计算机可读取存储介质，其特征在于，所述计算机可读取存储介质中存储有程序代码，所述程序代码可被处理器调用执行如权利要求1至7任一项所述的方法。

技术总结
本发明涉及无人车运动控制技术领域，特别是指一种基于投影面积的无人车路径跟踪控制方法及装置，方法包括：获取参考路径，将参考路径上的路径点在全局坐标系中的坐标转换为无人车局部坐标系中的坐标；根据参考路径上的路径点在局部坐标系中的坐标，确定距离无人车最近的路径点；根据距离无人车最近的路径点，确定路径投影面积以及无人车前方路径长度，根据路径投影面积以及前方路径长度，确定预瞄点；根据预瞄点，确定预瞄距离和航向偏差角；根据航向偏差角、预瞄距离、速度投影面积以及无人车最大速度，确定无人车当前的期望速度和前轮转向角，根据当前的期望速度和前轮转向角对无人车实施控制。采用本发明，可以提高无人车的路径跟踪精度。

技术研发人员：张浩杰,梁荣敏,姜峰
受保护的技术使用者：北京科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/21