CN109823335A - 带挂卡车的自动倒车控制方法及系统 - Google Patents

带挂卡车的自动倒车控制方法及系统 Download PDF

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苏晓聪
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Abstract

本发明公开一种带挂卡车的自动倒车控制方法及系统，其通过建立带挂卡车的车辆运动学模型，向前预测一定时间范围内的带挂卡车的运动状态，并设计一个目标函数，根据被控系统的模型预测一定时域范围内被控系统的状态，求解目标函数的最优解来获取最优目标方向盘转角，使挂车的位置、横摆角与目标轨迹之间的偏差最小，将这个最优目标方向盘转角用于当前倒车控制系统，从而控制倒车控制系统沿着期望的状态自动倒车，从而能够实现代替驾驶员完成自动倒车过程中的精准控制，极大减少了倒车过程中来回调整的时间，减轻了驾驶员的负担，提高了效率，并减少了燃油消耗。

Description

带挂卡车的自动倒车控制方法及系统
技术领域
本发明涉及车辆控制以及自动泊车技术领域，具体涉及一种带挂卡车的自动倒车控制方法及系统。
背景技术
在当前的汽车辅助驾驶及自动驾驶领域，关于自动泊车功能的商业化应用都只实现了单车的自动控制。而带挂卡车在运输业中扮演者非常重要的作用。但由于带挂卡车的倒车控制及其困难，特别是在空间有限的情况下，代挂卡车的倒车将占用驾驶员极大的精力和时间，经常完成一次倒车需要占用驾驶员十几分钟至半个小时的时间。极大影响了运输效率，消耗了过多的燃油。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种够实现代替驾驶员完成自动倒车过程中的精准控制，减少倒车过程中来回调整的时间的带挂卡车的自动倒车控制方法及系统。
一种带挂卡车的自动倒车控制方法，所述带挂卡车的自动倒车控制方法包括以下步骤：
S1、根据牵引车的位置、横摆角以及目标轨迹建立车辆运动学模型，根据车辆运动学模型对不同方向盘角度计算相应的一定时刻后的车辆状态；
S2、建立挂车与目标轨迹之间的位置误差和航向角误差的目标函数，将不同方向盘角度输入下计算得到的车辆状态与目标轨迹进行比对，将对比偏差代入目标函数求解目标函数值；
S3、选择最小目标函数值所对应的方向盘角度，将这个方向盘角度输出给倒车控制系统进行倒车控制。
一种带挂卡车的自动倒车控制系统，所述带挂卡车的自动倒车控制系统包括以下功能模块：
状态预测模块，用于根据牵引车的位置、横摆角以及目标轨迹建立车辆运动学模型，根据车辆运动学模型对不同方向盘角度计算相应的一定时刻后的车辆状态；
目标角度求解模块，用于建立挂车与目标轨迹之间的位置误差和航向角误差的目标函数，将不同方向盘角度输入下计算得到的车辆状态与目标轨迹进行比对，将对比偏差代入目标函数求解目标函数值；
最优控制模块，用于选择最小目标函数值所对应的方向盘角度，将这个方向盘角度输出给倒车控制系统进行倒车控制。
本发明所述带挂卡车的自动倒车控制方法及系统，其通过建立带挂卡车的车辆运动学模型，向前预测一定时间范围内的带挂卡车的运动状态，并设计一个目标函数，根据被控系统的模型预测一定时域范围内被控系统的状态，求解目标函数的最优解来获取最优目标方向盘转角，使挂车的位置、横摆角与目标轨迹之间的偏差最小，将这个最优目标方向盘转角用于当前倒车控制系统，从而控制倒车控制系统沿着期望的状态自动倒车，从而能够实现代替驾驶员完成自动倒车过程中的精准控制，极大减少了倒车过程中来回调整的时间，减轻了驾驶员的负担，提高了效率，并减少了燃油消耗。
附图说明
图1是本发明所述带挂卡车的自动倒车控制方法的步骤流程图；
图2是本发明所述带挂卡车的自动倒车控制方法的流程框图；
图3是图1中步骤S1的流程框图；
图4为本发明所述带挂卡车的自动倒车控制方法中计算各个角度下预测时域内的车辆状态以及目标函数值的步骤流程图；
图5为本发明所述带挂卡车的自动倒车控制方法的逻辑结构图；
图6是本发明所述带挂卡车的自动倒车控制系统的功能模块框图；
图7是本发明所述状态预测模块的单元框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1和图2所示，本发明实施例提供一种带挂卡车的自动倒车控制方法，所述带挂卡车的自动倒车控制方法包括以下步骤：
S1、根据牵引车的位置、横摆角以及目标轨迹建立车辆运动学模型，根据车辆运动学模型对不同方向盘角度计算相应的一定时刻后的车辆状态。
其中，如图3所示，所述步骤S1包括以下分步骤：
S11、根据牵引车的位置、横摆角以及目标轨迹建立车辆运动学模型。
具体的，车辆运动学模型描述的是车辆运动过程状态变量与控制变量之间的关系，即给定某个控制量，那么将导致车辆状态发生怎样的改变。对于倒车控制系统来说，车辆运动学模型描述的是方向盘角度和车速的输入与车辆位置、航向角以及主挂夹角之间的关系。为了简化运算以达到实时控制的目标，本控制系统使用车辆运动学模型。将牵引车考虑为平面上的刚体运动，将挂车考虑为绕牵引车上牵引销的旋转运动。所述车辆运动学模型如下：
上式中，
xtractor为牵引车后轴中心处的x坐标值；
ytractor为牵引车后轴中心处的y坐标值；
xtrailer为挂车后轴中心处的x坐标值；
ytrailer为挂车后轴中心处的y坐标值；
φtractor为牵引车的横摆角；
φtrailer为挂车的横摆角；
βdowel为牵引车牵引销处的侧滑角；
vtractor为牵引车的车速；
δf为牵引车前轮偏角；
θ为挂车与牵引车之间的夹角；
l为牵引车的轴距；
l1为牵引车前轴到牵引销处的距离；
l2为挂车后轴到牵引销处的距离。
其中，所述牵引车的位置、横摆角以及牵引车和挂车之间的夹角均是从车载系统的定位模块获取，牵引车的车速从车身CAN总线获取，目标轨迹从车载系统的决策模块获取。
所述挂车的状态根据牵引车的状态来获取：
其中，控制量为牵引车的车速以及前轮偏角[vtractor δf]，状态量为牵引车的位置、横摆角以及挂车与牵引车之间的夹角[xtractor ytractor θ]。
S12、将方向盘的角度范围按照一定的分辨率离散化为一个个的角度值；
S13、根据车辆运动学模型对每个离散化的角度值计算相应的一定时刻后的车辆状态。
计算各个方向盘角度下的一定时刻后的车辆状态是通过brute force的方式进行穷举求解的。如图4所示，首先，将方向盘的角度范围(它是方向盘的最大转角，不同的车辆有不同的值)[-700,700]按照一定的分辨率离散化为一个个的角度值(如[-700,-650,-600,...,-5,0,5,...,600,650,700])。然后对每个离散化的角度值计算相应的一定时刻后的车辆状态。将方向盘角度离散化应当综合考虑计算时间以及控制精度，在计算时间允许的条件下，分辨率越高则控制精度越高。计算预测时域内(向后预测一段时间)的车辆状态是基于每个离散化的角度值，使用矩形法对车辆运动学模型的微分方程组求解预测时域内的定积分来获取的。
S2、建立挂车与目标轨迹之间的位置误差和航向角误差的目标函数，将不同方向盘角度输入下计算得到的车辆状态与目标轨迹进行比对，将对比偏差代入目标函数求解目标函数值。
车辆运动学模型用来根据当前车辆状态，在不同的方向盘输入转角下预测未来时刻车辆的状态，为了使车辆沿着期望的轨迹行驶，需要选择一个最优的方向盘转角来控制车辆。本发明通过引入目标函数来评价车辆状态与目标轨迹之间的偏差。
从工程意义上讲，目标函数是系统的性能指标，比如，一个结构的最轻重量、最低造价、最合理形式；一件产品的最短生产时间、最小能量消耗；一个实验的最佳配方；车辆与目标轨迹之间偏差最小等等。
目标函数包含了一个目标方程以及若干约束方程，可以用如下的表达式来描述：
minimize f0(x)
subject to fi(x)≤0，i＝1，...，m
Ax＝b，
其中，x为系统变量，为目标方程，为不等式约束方程，Ax＝b为等式约束方程。其含义可以简单理解为找到使目标方程值最小的变量x，并且满足相应的不等式约束和等式约束Ax＝b。目标方程应当指定控制系统的性能指标，值越小，表明控制系统越接近制定的性能。不等式约束和等式约束应当指定系统的某些物理限制条件，即某个状态量或控制量不应该/不会超过某个界限值。
所述目标函数包括目标方程和约束方程，其中，倒车控制系统的目标方程如下所示：
其中，object是一个标量值，其值反应了车辆位置与目标轨迹之间的偏差，其余符号参考上面车辆运动学模型章节中的解释。上式右边第一项(xtrailer-xref)2+(ytrailer-yref)2表达的是挂车与目标轨迹之间的位置误差，右边第二项表达的是挂车与目标轨迹之间的横摆角误差。表达式中的系数a、b分别为位置误差的权重值和横摆角误差的权重值，权重值越高，那么相应的误差项在目标方程中占据的比重越大。此目标函数表达的是挂车与目标轨迹之间的位置误差和航向角误差，目标函数值越小，则挂车越靠近目标轨迹。
倒车控制系统的约束方程为：-40°≤θ≤40°
此不等式约束表达的是牵引车和挂车的夹角在倒车过程中不能超过某个固定的限制值。否则牵引车和挂车之间的夹角在倒车过程中会持续增加，并且在倒车过程中不可逆，导致倒车失败。这个值是某型车实际测量出来的，不同的车辆有不同的角度。
S3、选择最小目标函数值所对应的方向盘角度，将这个方向盘角度输出给倒车控制系统进行倒车控制。
根据目标函数值越小，则挂车越靠近目标轨迹的原则，选择一个最小的目标函数值，并将相应的目标方向盘转角输出给倒车控制系统进行倒车控制即可。
如图5所示，图5为本发明所述带挂卡车的自动倒车控制方法的逻辑结构图。输入传感器测量的位置、速度、角速度、方向盘转角等，根据车辆运动学模型，预测未来时刻的车辆状态。与输入的目标轨迹做对比，构建目标函数(当挂车的位置、横摆角与目标轨迹之间的偏差越小时，目标函数的值越小)，计算最优的控制输出(即使目标函数值最小的方向盘转角)，将其用于车辆的控制，使得车辆沿着期望的轨迹行驶。
本发明所述带挂卡车的自动倒车控制方法，其通过建立带挂卡车的车辆运动学模型，向前预测一定时间范围内的带挂卡车的运动状态，并设计一个目标函数，根据被控系统的模型预测一定时域范围内被控系统的状态，求解目标函数的最优解来获取最优目标方向盘转角，使挂车的位置、横摆角与目标轨迹之间的偏差最小，将这个最优目标方向盘转角用于当前倒车控制系统，控制倒车控制系统沿着期望的状态自动倒车，从而能够实现代替驾驶员完成自动倒车过程中的精准控制，极大减少了倒车过程中来回调整的时间，减轻了驾驶员的负担，提高了效率，并减少了燃油消耗。
基于上述带挂卡车的自动倒车控制方法，本发明还提供一种带挂卡车的自动倒车控制系统，如图6所示，所述带挂卡车的自动倒车控制系统包括以下功能模块：
状态预测模块，用于根据牵引车的位置、横摆角以及目标轨迹建立车辆运动学模型，根据车辆运动学模型对不同方向盘角度计算相应的一定时刻后的车辆状态；
目标角度求解模块，用于建立挂车与目标轨迹之间的位置误差和航向角误差的目标函数，将不同方向盘角度输入下计算得到的车辆状态与目标轨迹进行比对，将对比偏差代入目标函数求解目标函数值；
最优控制模块，用于选择最小目标函数值所对应的方向盘角度，将这个方向盘角度输出给倒车控制系统进行倒车控制。
其中，如图7所示，所述状态预测模块包括以下功能单元：
模型建立单元，用于根据牵引车的位置、横摆角以及目标轨迹建立车辆运动学模型；
角度离散单元，用于将方向盘的角度范围按照一定的分辨率离散化为一个个的角度值；
状态计算单元，用于根据车辆运动学模型对每个离散化的角度值计算相应的一定时刻后的车辆状态；具体用于基于每个离散化的角度值，使用矩形法对车辆运动学模型的微分方程组求解预测时域内的定积分。
以上装置实施例与方法实施例是一一对应的，装置实施例简略之处，参见方法实施例即可。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能性一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应超过本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机储存器、内存、只读存储器、电可编程ROM、电可檫除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其他形式的存储介质中。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种带挂卡车的自动倒车控制方法，其特征在于，所述带挂卡车的自动倒车控制方法包括以下步骤：
S1、根据牵引车的位置、横摆角以及目标轨迹建立车辆运动学模型，根据车辆运动学模型对不同方向盘角度计算相应的一定时刻后的车辆状态；
S2、建立挂车与目标轨迹之间的位置误差和航向角误差的目标函数，将不同方向盘角度输入下计算得到的车辆状态与目标轨迹进行比对，将对比偏差代入目标函数求解目标函数值；
S3、选择最小目标函数值所对应的方向盘角度，将这个方向盘角度输出给倒车控制系统进行倒车控制。
2.根据权利要求1所述带挂卡车的自动倒车控制方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下分步骤：
S11、根据牵引车的位置、横摆角以及目标轨迹建立车辆运动学模型；
S12、将方向盘的角度范围按照一定的分辨率离散化为一个个的角度值；
S13、根据车辆运动学模型对每个离散化的角度值计算相应的一定时刻后的车辆状态。
3.根据权利要求2所述带挂卡车的自动倒车控制方法，其特征在于，所述根据车辆运动学模型对每个离散化的角度值计算相应的一定时刻后的车辆状态，即表示基于每个离散化的角度值，使用矩形法对车辆运动学模型的微分方程组求解预测时域内的定积分。
4.根据权利要求1所述带挂卡车的自动倒车控制方法，其特征在于，所述车辆运动学模型如下：
上式中，
xtractor为牵引车后轴中心处的x坐标值；
ytractor为牵引车后轴中心处的y坐标值；
xtrailer为挂车后轴中心处的x坐标值；
ytrailer为挂车后轴中心处的y坐标值；
φtractor为牵引车的横摆角；
φtrailer为挂车的横摆角；
βdowel为牵引车牵引销处的侧滑角；
vtractor为牵引车的车速；
δf为牵引车前轮偏角；
θ为挂车与牵引车之间的夹角；
l为牵引车的轴距；
l1为牵引车前轴到牵引销处的距离；
l2为挂车后轴到牵引销处的距离。
5.根据权利要求4所述带挂卡车的自动倒车控制方法，其特征在于，所述牵引车位置、横摆角以及牵引车和挂车之间的夹角是从车载系统的定位模块获取，车辆的速度从车身CAN总线获取，目标轨迹从车载系统的决策模块获取。
6.根据权利要求4所述带挂卡车的自动倒车控制方法，其特征在于，所述挂车的状态根据牵引车的状态来获取：
其中，控制量为牵引车的车速以及前轮偏角状态量为牵引车的位置、横摆角以及挂车与牵引车之间的夹角
7.根据权利要求6所述带挂卡车的自动倒车控制方法，其特征在于，所述目标函数包括目标方程和约束方程：
所述目标方程如下：
其中，上式右边第一项(xtrailer-xref)2+(ytrailer-yref)2表达的是挂车与目标轨迹之间的位置误差，右边第二项表达的是挂车与目标轨迹之间的横摆角误差；上式中的系数a、b分别为位置误差的权重值和横摆角误差的权重值，权重值越高，那么相应的误差项在目标方程中占据的比重越大；
所述约束方程用于约束牵引车和挂车的夹角，根据不同车型存在不同的约束角度。
8.一种带挂卡车的自动倒车控制系统，其特征在于，所述带挂卡车的自动倒车控制系统包括以下功能模块：
状态预测模块，用于根据牵引车的位置、横摆角以及目标轨迹建立车辆运动学模型，根据车辆运动学模型对不同方向盘角度计算相应的一定时刻后的车辆状态；
目标角度求解模块，用于建立挂车与目标轨迹之间的位置误差和航向角误差的目标函数，将不同方向盘角度输入下计算得到的车辆状态与目标轨迹进行比对，将对比偏差代入目标函数求解目标函数值；
最优控制模块，用于选择最小目标函数值所对应的方向盘角度，将这个方向盘角度输出给倒车控制系统进行倒车控制。
9.根据权利要求8所述带挂卡车的自动倒车控制系统，其特征在于，所述状态预测模块包括以下功能单元：
模型建立单元，用于根据牵引车的位置、横摆角以及目标轨迹建立车辆运动学模型；
角度离散单元，用于将方向盘的角度范围按照一定的分辨率离散化为一个个的角度值；
状态计算单元，用于根据车辆运动学模型对每个离散化的角度值计算相应的一定时刻后的车辆状态。
10.根据权利要求9所述带挂卡车的自动倒车控制方法，其特征在于，所述状态计算单元具体用于基于每个离散化的角度值，使用矩形法对车辆运动学模型的微分方程组求解预测时域内的定积分。
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