CN107264621A - 车辆预瞄距离计算方法、装置、介质及转向控制方法 - Google Patents

Abstract

一种用于计算车辆的预瞄距离的方法、装置和存储介质及车辆转向控制方法，所述用于计算车辆的预瞄距离的方法包括：获取车辆的期望路径；获取车辆的位姿；根据期望路径和车辆位姿，得到期望路径的非线性参数；以及基于期望路径的非线性参数，计算预瞄距离。在本申请中，考虑了期望路径的非线性，可以更准确地计算车辆的预瞄距离。进而，可以实现更精确的车辆转向控制。

Description

车辆预瞄距离计算方法、装置、介质及转向控制方法

技术领域

本申请总体涉及车辆自动控制领域，特别涉及用于计算车辆的预瞄距离的方法、装置和存储介质及车辆转向控制方法。

背景技术

随着车辆智能化技术的发展，无人车自动驾驶技术逐渐成为车辆研究领域的一个热点。其中，转向控制是无人车自动控制中的一个重要部分，其基本目标是根据期望路径和预瞄距离，计算出预瞄点位置，并结合车辆当前位姿，计算出当前期望的车辆前轮偏角，来控制车辆的转向。

现有技术中，对预瞄距离preview distance的计算普遍采用公式previewdistance＝k*v，即当前车速v乘以一个比例系数k，并对预瞄距离的最小值和最大值做一定限制。这种方法能根据车速的大小调整预瞄距离的长短，当车速较大时，预瞄距离较长，提高转向控制的稳定性；当车速较低时，预瞄距离较短，提高转向控制的灵活性。

发明内容

鉴于上述情况，提出了本申请。本申请旨在提出一种新的用于计算车辆的预瞄距离的方法、装置和存储介质及车辆转向控制方法，考虑期望路径的非线性，更准确地计算车辆的预瞄距离，从而实现更精确的车辆转向控制。

本申请提出一种用于计算车辆的预瞄距离的方法，包括∶获取车辆的期望路径；获取车辆的位姿；根据期望路径和车辆位姿，得到期望路径的非线性参数；以及基于期望路径的非线性参数，计算预瞄距离。

本申请还提出一种用于计算车辆的预瞄距离的装置，包括∶期望路径获取模块，用于获取车辆的期望路径；车辆位姿获取模块，用于获取车辆的位姿；以及参数计算模块，用于根据期望路径和车辆位姿，得到期望路径的非线性参数；以及距离计算模块，用于基于期望路径的非线性参数，计算预瞄距离。

本申请还提出一种用于计算车辆的预瞄距离的装置，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有指令，当所述处理器执行所述指令时，执行如上所述的方法。

本申请还提出一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机可执行指令，当所述指令被计算装置执行时，执行如上所述的方法。

本申请还提出一种车辆的转向控制方法，包括：根据如上所述的方法，计算车辆的预瞄距离；以及根据预瞄距离和期望路径得到期望路径上的预瞄点的位置，采用横向控制算法，计算出期望的前轮偏角。

在本申请中，考虑了期望路径的非线性，可以更准确地计算车辆的预瞄距离。进而，可以实现更精确的车辆转向控制。进一步，考虑望路径的曲率变化、本车与期望路径的相对位置及角度，使预瞄距离的计算能够根据期望路径的曲率变化、本车与期望路径的相对位置及角度及时调整，使得车辆的预瞄距离计算更准确。

附图说明

从下面结合附图对本发明实施例的详细描述中，本发明的这些和/或其它方面和优点将变得更加清楚并更容易理解，其中：

图1示出了根据本发明的一个实施例的用于计算车辆的预瞄距离的方法的流程图；

图2示出了根据本发明的一个实施例的用于控制车辆转向的系统框图；

图3示出了根据本发明的一个实施例的用于计算车辆的预瞄距离的方法的原理示意图；

图4示出了根据本发明的一个实施例的用于计算车辆的预瞄距离的装置的框图；以及

图5是根据本申请的一些实施例所示的操作系统的一种示例型框图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

在前述的现有技术方法中，可以发现如下缺点：1)未考虑期望路径的曲率变化，如在弯道行驶时，预瞄距离不能及时调整；2)未考虑本车与期望路径的相对位置及角度，如本车与期望路径有一定横偏距离或与期望路径成一定角度时，不能相应调整预瞄距离。

本发明考虑期望路径的非线性以反映期望路径的曲率变化，在预瞄距离的计算中引入期望路径的非线性参数。

图1示出了根据本发明的一个实施例的用于计算车辆的预瞄距离的方法的流程图。

在步骤S110中，获取车辆的期望路径。期望路径是车辆需要跟踪的行驶轨迹。期望路径的表示方式可以是参数化方程，也可以是由离散的点组成。期望路径可以是通过车道线识别模块得到的道路中间线，也可以是通过定位手段(如GPS、激光雷达SLAM、二维码定位)，结合路网文件得到的当前期望行驶轨迹。期望路径可以是车辆行驶过程中通过路径规划算法所获得的一段路径。

在步骤S120中，获取车辆的位姿。车辆的位姿包括车辆在大地全局坐标系的位置(x，y)和航向角θ，可以通过车辆的传感器获得，例如摄像头，激光雷达传感器等，也可以通过定位手段获得，例如GPS、激光雷达SLAM、二维码定位等。根据车辆的位姿信息将期望路径由大地全局坐标系换到局部坐标系下。所述的车辆坐标系可以车辆后轴中心为车辆中心位置作为车辆坐标系原点，车辆后轴方向为x轴，以车身方向为y轴。通常为了方便，可以选择车头向前方向为y轴正方向，车辆后轴向右为x轴正方向。参见图3所示的车辆302及其坐标系。

在步骤S130中，根据期望路径和车辆位姿，得到期望路径的非线性参数。非线性参数可以包括航向角累积变化量和车辆横偏距离，也可以包括所述期望路径的曲率半径。在此步骤，可以将期望路径上每一点的坐标转换到车辆坐标系，得到期望路径与车辆的相对位置，即期望路径上每点的坐标即为与车辆的相对位置，而每点的切线方向与x轴的夹角即为该点的航向角。

曲率半径的计算可以采取多种方法，以下列出两种方法。

方法一：设期望路径的表达式为x＝c₂y²+c₁y+c₀，根据曲率K的公式求得某一点(x₁，y₁)的曲率为K，再由公式R＝1/K，求得点(x₁，y₁)的曲率半径R。

方法二：根据期望路径上的连续3个点(x₀，y₀)、(x₁，y₁)、(x₂，y₂)，带入圆方程公式(x-a)²+(y-b)²＝R²，圆心为(a,b)，求解得出点(x₁，y₁)的曲率半径R。此处计算的曲率半径R可以是精确的曲率半径，也可能是曲率半径的近似值。

对于航向角累积变化量和车辆横偏距离的计算，在期望路径转换到车辆坐标系后，可以得到航向角累积变化量Δθ_j为期望路径上第j点与(j-1)点的航向角变化，而车辆横偏距离即期望路径上的点的横坐标的绝对值。

在步骤S140中，基于期望路径的非线性参数，计算预瞄距离preview distance。

对于得到的曲率半径R，可根据公式preview distance＝K_r*R计算预瞄距离，其中，K_r为曲率半径系数，K_r可以是预先设定的一个常数。

如果利用航向角累积变化量和车辆横偏距离，可以考虑航向角累积变化量越大，计算预瞄距离时，航向角累积变化权重越小；而期望路径与车辆的横偏距离越大，计算预瞄距离时，车辆横偏距离权重越小。还可以基于延伸距离和延伸步长计算预瞄距离；可以考虑延伸距离越长，计算预瞄距离时，延伸距离权重越小。延伸步长可以选择为固定步长。

图3示出了根据本发明的一个实施例的用于计算车辆的预瞄距离的方法的原理示意图300。图3左边示出了期望路径301、期望路径上的预瞄点304及其与车辆302的后轴中心的预瞄距离303。在车辆302上建立车辆坐标系，图3右边示出了以车辆后轴中心(即坐标原点)在期望路径上对应的投影点的预瞄距离为0，从此投影点开始，以固定步长305Δd沿期望路径向前延伸，每向前延伸Δd，就乘以相应的权重系数306，直到延伸总距离。

具体地，可以按照以下公式计算预瞄距离∶

preview distance＝∑w_di·w_θi·w_dxi·Δd

设车辆坐标原点在期望路径上对应的投影点的预瞄距离为0，从此投影点开始，Δd为延伸步长；D为延伸总距离，作为求和的终点，D＝k*v，其中，k为比例系数，v为车辆速度；在一些实施例中，D也可以是固定距离，例如50米，或者100米；w_di为向前延伸第i点距离的权重系数，w_di＝(D-di)/D，di＝i*Δd，为第i点的延伸距离；W_θi为第i点的航向角累积变化权重系数，若则w_θi＝0，Δθ_j为第j点与(j-1)点的航向角变化；以及w_dxi为第i点的与车辆横偏距离权重系数，w_dxi＝(offset-|xi|)/offset，若|xi|＞offset，则w_dxi＝0，xi为第i点的横坐标，offset为最大横偏距离。

在上面的公式中，体现了根据本发明的一个实施例的用于计算车辆的预瞄距离的方法的以下特点：

1)预瞄距离的计算以固定步长Δd逐渐向前延伸，并乘以相应的权重系数，累加得到；

2)通过向前延伸距离权重系数，使其离本车越远，权重越小；

3)通过航向角累积变化权重系数，使其航向角累积变化越大，权重越小，即期望路径的曲率变化越大，权重越小；

4)通过横偏距离权重系数，使其与本车的横偏距离越大，权重越小。

根据该实施例的用于计算车辆的预瞄距离的方法的综合优势在于：通过引入期望路径的非线性参数，考虑期望路径的曲率变化、本车与期望路径的相对位置及角度，使预瞄距离的计算能够根据期望路径的曲率变化、本车与期望路径的相对位置及角度及时调整，如在直道低速行驶时，预瞄距离仍然较长，增加控制的稳定性；在弯道或者本车与期望路径有一定横偏距离或角度时，预瞄距离能及时减小，增加控制的灵活性。

图2示出了根据本发明的一个实施例的用于控制车辆转向的系统框图200。如图2所示，控制车辆转向系统200包括预瞄距离计算模块201，预瞄点确认模块202，前轮偏角计算模块203和转向电机控制模块204。在一些实施例中，预瞄距离计算模块201和预瞄点确认模块202可以是一体的。

预瞄距离计算模块201用于计算当前车辆转向时的预瞄距离。在一些实施例中，预瞄距离计算模块201可以通过车辆传感器获取当前车辆位姿，并通过当前车辆位姿计算预瞄距离。在一些实施例中，预瞄距离计算模块201可以获取期望路径，并给予期望路径计算预瞄距离。例如，预瞄距离计算模块201可以通过车辆的规划路径、当前道路的延伸情况、用户的自定义路线等一种或者多种方式获取车辆的期望路径。在一些实施例中，预瞄距离计算模块201通过获取期望路径的一些非线性参数，例如曲率半径、航向角变化量、航向角累计变化量等一种或者多种组合计算预瞄距离。在一些实施例中，预瞄距离计算模块201通过获取车辆位姿的信息，例如车辆横偏距离、车辆的航向角等一种或这多种组合计算预瞄距离。

预瞄点确认模块202用于确定预瞄点。在一些实施例中，预瞄点确认模块202可以通过预瞄距离和期望路径获取预瞄点。例如，从当前车辆位置出发，在期望路径上向前延伸预瞄距离所得到的位置即为预瞄点。

前轮偏角计算模块203用于计算车辆的前轮偏角。在一些实施例中，前轮偏角计算模块203可以通过横向控制算法计算前轮偏角。所述的横向控制算法可以包括自适应转向控制算法、鲁棒转向控制算法、滑模转向控制算法、模糊转向控制算法，PID(ProportionIntegral Derivative)等算法中的一种或者多种组合。在一些具体实施例中，前轮偏角计算模块203可以通过公式计算前轮偏角，其中δ表示前轮偏角，L表示车辆轴距，preview distance为预瞄距离。

转向电机控制模块204用于生成转向电机期望角度，并控制转向电机转向。在一些实施例中，转向电机控制模块204根据前轮偏角等信息计算转向电机的期望角度，生成控制信号，控制转向电机转向。在一些具体实施例中，转向电机控制模块204根据转向电机的安装位置，对所述的前轮偏角做一定比例变换，得到转向电机的期望角度，并生成控制信号，控制转向电机转动。

图4示出了根据本发明的一个实施例的预瞄距离计算模块400的框图。

如图4所示，所述预瞄距离计算模块400包括期望路径获取模块401、车辆位姿获取模块402、参数计算模块403和距离计算模块404。

期望路径获取模块401获取车辆的期望路径。在一些实施例中，所述的期望路径可以通过车辆的规划路径、当前道路的延伸情况、用户的自定义路线等一种或者多种方式获得。

车辆位姿获取模块402获取车辆的位姿。在一些实施例中，车辆的位姿包括车辆在大地全局坐标系的位置(x，y)和航向角θ，可以通过车辆的传感器获得，例如摄像头，激光雷达传感器等，也可以通过定位手段获得，例如GPS、激光雷达SLAM、二维码定位等。在一些实施例中根据车辆的位姿信息建立车辆坐标系。所述的车辆坐标系以车辆后轴中心为车辆中心位置作为车辆坐标系原点，车辆后轴方向为x轴，以车身方向为y轴。通常为了方便，可以选择车头向前方向为y轴正方向，车辆后轴向右为x轴正方向。。

参数计算模块403用于计算计算预瞄距离的参数。在一些实施例中，所述的参数包括曲率半径、航向角累计变化权重系数、车辆横偏距离权重系数、向前延伸距离权重系数等中的一种或者多种。在一些具体实施例中，将期望路径由大地全局坐标系转换至车辆坐标系中，在车辆坐标系中，期望路径的每一点坐标即为与车辆的相对位置，每一点的切线方向与x轴的夹角即为航向角。

在一些实施例中，曲率半径的计算可以采取多种方法，以下列出两种方法。

方法一：设期望路径的表达式为x＝c₂y²+c₁y+c₀，根据曲率K的公式求得某一点(x₁，y₁)的曲率为K，再由公式R＝1/K，求得点(x₁，y₁)的曲率半径R。

方法二：根据期望路径上的连续3个点(x₀，y₀)、(x₁，y₁)、(x₂，y₂)，带入圆方程公式(x-a)²+(y-b)²＝R²，圆心为(a,b)，求解得出点(x₁，y₁)的曲率半径R。此处计算的曲率半径R可以是精确的曲率半径，也可能是曲率半径的近似值。

在一些实施例中，车辆横偏距离权重系数可以通过公式w_dxi＝(offset-|xi|)/offset计算，其中若|xi|＞offset，则w_dxi＝0，xi为第i点的横坐标，offset为最大横偏距离。

在一些实施例中，航向角累计变化权重系数可以通过公式计算，其中若则w_θi＝0，Δθ_j为期望路径上第j点与(j-1)点的航向角变化。

在一些实施例中，向前延伸距离权重系数可以通过公式w_di＝(D-di)/D计算，其中di＝i*Δd，为第i点的延伸距离；D为延伸总距离，D＝k*v，其中，k为比例系数，v为车辆速度。在一些实施例中，D也可以是固定距离，例如50米，或者100米。

在一些实施例中，参数计算模块303可以包括坐标转换模块，用于将期望路径从大地全局坐标系转换到车辆坐标系。

距离计算模块404用于计算预瞄距离。在一些实施例中，距离计算模块404可以基于曲率半径计算预瞄距离。例如，距离计算模块404采用公式preview distance＝K_r*R计算预瞄距离，其中K_r为曲率半径系数，K_r可以是预先设定的一个常数。在一些具体实施例中，距离计算模块404可以基于车辆横偏距离、航向角累计变化量、向前延伸距离量等一种或者多种计算预瞄距离。例如，距离计算模块404可以采用公式preview distance＝∑w_di·w_θi·w_dxi·Δd计算预瞄距离。其中Δd为延伸步长，w_di为向前延伸第i点距离的权重系数，w_θi为第i点的航向角累积变化权重系数，w_dxi为第i点的与车辆横偏距离权重系数。在一些具体实施例中，延伸步长Δd可以是预先设定好的固定值，也可以随车辆行驶状况的不同而不同。在一些具体的实施例中，由各权重系数的计算公式可知，航向角累积变化量越大，计算预瞄距离时，航向角累积变化权重越小；期望路径与车辆的横偏距离越大，计算预瞄距离时，车辆横偏距离权重越小；延伸距离越长，计算预瞄距离时，延伸距离权重越小。

图5是根据本申请的一些实施例所示的操作系统500的一种示例型框图。如图5所示，操作系统500包括一个处理器501，一个存储器502以及一个输入输出接口503。

处理器501可以通过计算机程序指令控制上述系统工作。这些计算机程序指令可以存储于存储器502上，例如，存储器502中存储有指令，当所述处理器501执行存储于存储器502的指令时，可以执行如图1所示的方法及其步骤。

存储器502可以存放各种信息，例如计算机程序指令和数据等。在一些实施例中，存储器520可以是利用电能方式存储信息的设备，例如各种存储器、RAM、ROM、随机存取存储器等。在一些实施例中，存储器520可以是利用光学方式存储信息的设备，例如CD或者DVD等。在一些实施例中，存储器520可以是利用磁光方式存储信息的设备，例如磁光盘等。在一些实施例中，存储器520可以是非永久性存储设备，也可以是永久性存储设备。在一些实施例中，存储器520可以是远程的，也可以是本地的。

输入输出接口503用于接收和发送各种信息。在一些实施例中，输入输出接口503可以接收来自于车辆传感器或者外部信息(例如，用户输入信息)用以后续处理。在一些实施例中，输入输出接口503可以输出处理器的处理信息(例如，控制电机转向的控制信号)等。

以上已经描述了本发明的实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的实施例。在不偏离所说明的实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于计算车辆的预瞄距离的方法，包括∶

获取车辆的期望路径；

获取车辆的位姿；

根据期望路径和车辆位姿，得到期望路径的非线性参数；以及

基于期望路径的非线性参数，计算预瞄距离。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述根据期望路径和车辆位姿，得到期望路径的非线性参数包括：

将期望路径转换到车辆坐标系，得到期望路径与车辆的相对位置；以及

计算期望路径的非线性参数，其包括航向角累积变化量和车辆横偏距离。

3.如权利要求2所述的方法，其中所述的车辆坐标系是以车辆后轴中心为车辆中心位置作为车辆坐标系原点，车辆后轴方向为x轴，以车身方向为y轴。

4.如权利要求2所述的方法，其中：

所述航向角累积变化量越大，计算预瞄距离时，航向角累积变化权重越小。

5.如权利要求2所述的方法，其中：

所述期望路径与车辆的横偏距离越大，计算预瞄距离时，车辆横偏距离权重越小。

6.如权利要求2所述的方法，其中：

还基于延伸距离和延伸步长计算预瞄距离。

7.一种用于计算车辆的预瞄距离的装置，包括∶

期望路径获取模块，用于获取车辆的期望路径；

车辆位姿获取模块，用于获取车辆的位姿；以及

参数计算模块，用于根据期望路径和车辆位姿，得到期望路径的非线性参数；以及

距离计算模块，用于基于期望路径的非线性参数，计算预瞄距离。

8.一种用于计算车辆的预瞄距离的装置，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有指令，当所述处理器执行所述指令时，执行如权利要求1-6中任一项所述的方法。

9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机可执行指令，当所述指令被计算装置执行时，执行如权利要求1-6中任一项所述的方法。

10.一种车辆的转向控制方法，包括：

根据权利要求1-6中任一项所述的方法，计算车辆的预瞄距离；以及

根据预瞄距离和期望路径得到期望路径上的预瞄点的位置，采用横向控制算法，计算出期望的前轮偏角。