CN109823348B

CN109823348B - 无人车倒车模型控制方法、装置、设备及计算机可读介质

Info

Publication number: CN109823348B
Application number: CN201910122818.3A
Authority: CN
Inventors: 谭益农
Original assignee: Beijing Baidu Netcom Science and Technology Co Ltd
Current assignee: Beijing Baidu Netcom Science and Technology Co Ltd
Priority date: 2019-02-19
Filing date: 2019-02-19
Publication date: 2021-04-30
Anticipated expiration: 2039-02-19
Also published as: CN109823348A

Abstract

本发明提出一种无人车倒车模型控制方法、装置、设备和计算机可读介质，所述方法包括：利用无人车的车身的受力情况，建立车辆前行的动力学模型；对所述前行的动力学模型的质心位置，输入量与状态量进行对称等效转换，得到倒车模型；利用倒车的空间大小，确定误差等级，根据误差等级对控制器重新调整参数。本发明实施例采用对无人车辆在倒车时进行重新建模，可以提高车辆倒车的精确度。在倒车时根据倒车的空间大小，调整误差的参数，从而可以根据实际情况进行及时调整。

Description

无人车倒车模型控制方法、装置、设备及计算机可读介质

技术领域

本发明涉及无人车技术领域，尤其涉及一种无人车倒车模型控制方法及装置、设备和计算机可读介质。

背景技术

随着无人驾驶技术的发展，可以由控制主机对车辆进行操控。在自动泊车的场景下，由于车辆的调节空间小，速度低，对车辆的控制精度要求较高。另外由于在实际倒车的场景中，不同的倒车场景的空间大小不同，会在实际倒车过程中产生不同程度的误差，因此造成车辆在跟随规划轨迹点时横向偏差较大，无法停到车位中心的问题。

发明内容

本发明实施例提供一种无人车倒车模型控制方法、装置、设备及计算机可读介质，以解决或缓解现有技术中的一个或多个技术问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种无人车倒车模型控制方法，包括：

利用无人车的车身的受力情况，建立车辆前行的动力学模型；

对所述前行的动力学模型的质心位置，输入量与状态量进行对称等效转换，得到倒车模型；

利用倒车的空间大小，确定误差等级，根据误差等级对控制器重新调整参数。

在一种实施方式中，所述利用无人车的车身的受力情况，建立车辆前行的动力学模型，包括：

建立车身的受力方程；

对所述的受力方程进行简化处理；

对简化处理后的受力方程进行线性化处理，获得车辆的前进的动力学模型。

在一种实施方式中，所述车身的受力方程包括：

在x方向的力学方程：

在y方向的力学方程：

车辆旋转力矩平衡方程：

其中，x方向为车辆的轮胎的纵向，y方向为车辆的轮胎的切向，m表示车辆的质量，v_x表示在x方向的速度，

表示v_x的一阶导数，v_y表示在y方向的速度，

表示v_y的一阶导数，F_xf和F_yf分别表示车辆前轮受到的纵向和切向力，F_xr和F_yr分别表示车辆后轮受到的纵向和切向力，ω表示车辆转向角速度，

表示ω的一阶导数，β表示车辆前轮转向角，I_z表示车辆的转动惯量，l_f和l_r分别表示前轮和后轮到车辆质心的距离。

在一种实施方式中，对所述的受力方程进行简化处理，包括：

将前后轮胎收到的纵向力设置为0；

将轮胎所受的切向力设置为侧偏角的线性函数；

在x方向将车辆上的任意点的速度设置为相等：

在y方向，将车辆任意点的速度设置为质心速度与围绕质心旋转线速度的矢量和：

获得非线性模型：

其中：

其中

C_αf和C_αr分别表示车辆前轮和后轮的侧偏刚度。

在一种实施方式中，对简化处理后的受力方程进行线性化处理，包括：

对方程在β＝0处进行线性化处理，获得车体坐标系的最终线性状态方程：

表示y方向上的线速度，

表示y方向的线加速度，

表示转向角速度，

表示转向角加速度；

将

用x表示，将

用

表示，

将

用A′表示，将

用B′表示，则所述非线性状态方程可以表示为：

其中，x为车辆的状态量，β为车辆的输入量，A′为转移状态矩阵，B′为输入矩阵。

在一种实施方式中，所述在倒车时对车辆的输入量与状态量的进行对称等效转换，包括：

将车辆的质心位置，输入量β和状态量x分别进行对称等效转换。

在一种实施方式中，所述利用倒车的空间大小，确定误差等级，根据误差等级对控制器重新调整参数，包括：

设置误差目标函数：

其中：x(k)，表示k时刻的状态量x矩阵，

δ(k)表示k时刻的方向盘转角输入，

δ(k)＝-Kx(k)，K＝(R+B′^TPB′)^-1B′^TPA′，

其中矩阵P＝A′^TPA′-A′^TPB′(R+B′^TPB′)^-1B′^TPA′+Q；

调节q₁，q₂，q₃，q₄的相对权重，以调整无人车的倒车参数。

第二方面，本发明实施例提供了一种无人车倒车模型控制装置，包括：

建立模块，用于利用无人车的车身的受力情况，建立车辆前行的动力学模型；

转换模块，用于对所述前行的动力学模型的质心位置，输入量与状态量进行对称等效转换，得到倒车模型；

调整模块，用于利用倒车的空间大小，确定误差等级，根据误差等级对控制器重新调整参数。

在一种实施方式中，所述建立模块包括：

方程建立子模块，用于建立车身的受力方程；

简化子模块，用于对所述的受力方程进行简化处理；

线性化模块，用于对简化处理后的受力方程进行线性化处理，获得车辆的前进的动力学模型。

在一种实施方式中，所述车轮的受力方程包括：

在x方向的力学方程：

在y方向的力学方程：

车辆旋转力矩平衡方程：

表示v_x的一阶导数，v_y表示在y方向的速度，

在一种实施方式中，所述简化子模块包括：

第一设置单元，用于将前后轮胎收到的纵向力设置为0；

第二设置单元，用于将轮胎所受的切向力设置为侧偏角的线性函数；

第三设置单元，用于在x方向将车辆上的任意点的速度设置为相等：

第四设置单元，用于在y方向，将车辆任意点的速度设置为质心速度与围绕质心旋转线速度的矢量和：

获取单元，用于获得非线性模型：

其中：

其中

C_αf和C_αr分别表示车辆前轮和后轮的侧偏刚度。

在一种实施方式中，所述线性化模块具体用于对方程在β＝0处进行线性化处理，获得车体坐标系的最终线性状态方程：

表示y方向上的线速度，

表示y方向的线加速度，

表示转向角速度，

表示转向角加速度；

将

用x表示，将

用

表示，

将

用A′表示，将

用B′表示，则所述非线性状态方程可以表示为：

在一种实施方式中，所述转换模块具体用于将车辆的质心位置，输入量β和状态量x分别进行对称等效转换。

在一种实施方式中，所述调整模块包括：

误差设置子模块，用于设置误差目标函数：

其中：x(k)，表示k时刻的状态量x矩阵，

δ(k)表示k时刻的方向盘转角矩阵，

δ(k)＝-Kx(k)，K＝(R+B′^TPB′)^-1B′^TPA′，

调节子模块，用于调节q₁，q₂，q₃，q₄的相对权重，以调整无人车的倒车参数。

第三方面，本发明实施例提供一种无人车倒车模型控制设备，所述设备包括：

一个或多个处理器；

存储装置，用于存储一个或多个程序；

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现上述第一方面所述的无人车倒车模型控制方法。

在一个可能的设计中，无人车倒车模型控制设备的结构中包括处理器和存储器，所述存储器用于存储支持无人车倒车模型控制设备执行上述第一方面中无人车倒车模型控制方法的程序，所述处理器被配置为用于执行所述存储器中存储的程序。所述无人车倒车模型控制设备还可以包括通信接口，用于无人车倒车模型控制设备与其他设备或通信网络通信。

第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读介质，用于存储无人车倒车模型控制装置所用的计算机软件指令，其包括用于执行上述第一方面的无人车倒车模型控制方法所涉及的程序。

在上述的一种方案中，本发明实施例采用对无人车辆在倒车时进行重新建模，可以提高车辆倒车的精确度。在倒车时根据倒车的空间大小，调整误差的参数，从而可以根据实际情况进行及时调整。

上述概述仅仅是为了说明书的目的，并不意图以任何方式进行限制。除上述描述的示意性的方面、实施方式和特征之外，通过参考附图和以下的详细描述，本发明进一步的方面、实施方式和特征将会是容易明白的。

附图说明

在附图中，除非另外规定，否则贯穿多个附图相同的附图标记表示相同或相似的部件或元素。这些附图不一定是按照比例绘制的。应该理解，这些附图仅描绘了根据本发明公开的一些实施方式，而不应将其视为是对本发明范围的限制。

图1为本发明一实施例的无人车倒车模型控制方法的流程图；

图2为本发明一实施例的步骤S100的具体步骤流程图；

图3为本发明一实施例的车辆前进模型示意图；

图4为本发明一实施例的步骤S120的具体步骤流程图；

图5为本发明一实施例的车辆前进模块的对称等效示意图；

图6为本发明一实施例的步骤S300的具体步骤流程图；

图7为本发明一实施例的无人车倒车模型控制装置的连接框图；

图8为本发明一实施例的建立模块的内部框图；

图9为本发明一实施例的简化子模块的内部框图；

图10为本发明一实施例的调整模块的内部框图；

图11为本发明另一实施例的无人车倒车模型控制设备框图。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。本发明实施例主要提供了一种通无人车倒车模型控制的方法及装置，下面分别通过以下实施例进行技术方案的展开描述。

本发明提供了一种无人车倒车模型控制方法和装置，以下详细介绍本发明实施例的无人车倒车模型控制方法和装置的具体处理流程和原理。

如图1所示，其为本发明实施例的无人车倒车模型控制方法的流程图。在一种实施例中，本发明实施例的无人车倒车模型控制方法可以包括以下步骤：

S100：利用无人车的车身的受力情况，建立车辆前行的动力学模型。

如图2所示，在一种实施方式中，所述步骤S110中在建立车辆前行的动力学模型时可以包括以下步骤：

S110：建立车身的受力方程。

如图3所示，在一种实施方式中，所述车身的受力方程包括：

在x方向的力学方程：

在y方向的力学方程：

车辆旋转力矩平衡方程：

其中，x方向为车辆的轮胎的轴向，y方向为车辆的轮胎的切向，x方向与y方向垂直，m表示车辆的质量，v_x表示在x方向的速度，

表示v_x的一阶导数，v_y表示在y方向的速度，

表示ω的一阶导数，β表示车辆前轮转向角，I_z表示车辆的转动惯量，l_f和l_r分别表示前轮和后轮到车辆质心的距离。附图3中的C.G.表示车辆质心位置。

S120：对所述的受力方程进行简化处理。

如图4所示，在一种实施方式中，所示步骤S120中在对所述的受力方程进行简化处理时可以包括：

S121：将前后轮胎收到的纵向力设置为0，即F_xf＝0,F_xr＝0 (4)。

S122：将轮胎所受的切向力设置为侧偏角的线性函数，参见公式(5)：

F_yf＝C_αfα_f,F_yr＝C_αrα_r (5)，

其中C_αf和C_αr分别表示车辆前轮和后轮的侧偏刚度；

然后再将公式(4)，(5)代入(1)，(2)，(3)中，获得：

S123：在x方向，将车辆上的任意点的速度设置为相等，其公式表达式为：

v_x＝v_r cosα_r＝v_f cos(β-α_f) (7)。

S124：在y方向，将车辆任意点的速度设置为质心速度与围绕质心旋转线速度的矢量和，其公式表达为：

v_y＝-(v_r sinα_r-ωl_r)＝v_f sin(β-α_f)-ωl_f (8)。

然后，再利用公式(7)和公式(8)，转换得到公式(9)和公式(10)：

采用近似tanθ＝θ，将上述式(9)和(10)简化为公式(11)和(12)：

S125：将(11),(12)代入(6)，可得到公式(13)的非线性模型：

其中：

S130：对简化处理后的受力方程进行线性化处理，获得车辆的前进的动力学模型。

在一种实施方式中，所述步骤S130中在对简化处理后的受力方程进行线性化处理时可以包括：

表示y方向上的线速度，

表示y方向的线加速度，

表示转向角速度，

表示转向角加速度；

将上述公式(14)中的

用x表示，

用

表示，

将

用A′表示，将

用B′表示，得到

x为车辆的状态量，β为车辆的输入量，A′为转移状态矩阵，B′为输入矩阵。

S200：对所述前行的动力学模型的质心位置，输入量与状态量进行对称等效转换，得到倒车模型；

如图5所示，在一种实施方式中，所述步骤S200中在对车辆的输入量与状态量的进行对称等效转换时，可以找到车辆的等效质心位置，并对输入量β和状态量x分别进行对称等效转换。比如，假设当前的车辆倒车时前轮转向角β经过计算为正20度，则在所述前进的动力学模型中，将所述转向角对称转换为负20度。同理，当前车辆的状态量x中的位移、线速度、角度、角速度等变量在基于车辆的等效质心位置重新计算后，进行对称转换，即可以获得最终的倒车模型。

S300：利用倒车时的空间大小，确定误差等级，根据误差等级对控制器重新调整参数。

由于上述的倒车模型在建立的过程中进行了理想化的简化处理，因此在实际过程中会有误差的产生。而倒车时的位置空间大小的不同，所可以接纳的误差范围也不同。比如，车辆的宽度为2m，而倒车位置空间为3m，则理论上可以容纳的误差范围为1m。而根据实际的要求，为了防止碰撞或剐蹭的情形处理，可以根据实际情况确定误差的范围和等级，然后再进行对应的调整。如图6所示，在一种实施方式中所述步骤S300中在对控制器重新调整参数时可以包括：

S310：设置误差目标函数：

其中：x(k)，表示k时刻的状态量x矩阵，

δ(k)表示k时刻的方向盘转角矩阵，

通过代数Riccati方程，即可利用上述目标函计算出反馈矩阵K＝[K₁ K₂ K₃ K₄]，从而得到系统在k时刻的输入量δ(k)＝-Kx(k)。

其中矩阵K＝(R+B^TPB)^-1B^TPA，P＝A^TPA-A^TPB(R+B^TPB)^-1B^TPA+Q。

S320：调节q₁，q₂，q₃，q₄的相对权重，以调整无人车的倒车参数。

在一种实施方式中，通过调节q₁，q₂，q₃，q₄的相对权重，可以调整系统最小化误差的优先级以及速度，权重越大，误差减小的速度越快。在倒车场景下，一般调整空间都较小，方向盘会在短时间之内快速转动，所以可以令q₂，q₄为0，即去除对误差变化率的限制。然后调整q₁，q₃使得车辆满足倒车场景的横向以及转向角误差要求。

本发明实施例采用对无人车辆在倒车时进行重新建模，可以提高车辆倒车的精确度。在倒车时根据倒车的空间大小，调整误差的参数，以使得倒车路线更加精确。

如图7所示，在一种实施例中，本发明还提供了一种无人车倒车模型控制装置，包括：

建立模块100，用于利用无人车的车身的受力情况，建立车辆前行的动力学模型。

转换模块200，用于对所述前行的动力学模型的质心位置，输入量与状态量进行对称等效转换，得到倒车模型。

调整模块300，用于利用倒车的空间大小，确定误差等级，根据误差等级对控制器重新调整参数。

如图8所示，所述建立模块100包括：

方程建立子模块110，用于建立车身的受力方程。

简化子模块120，用于对所述的受力方程进行简化处理。

线性化模块130，用于对简化处理后的受力方程进行线性化处理，获得车辆的前进的动力学模型。

在一种实施方式中，所述车身的受力方程包括：

在x方向的力学方程：

在y方向的力学方程：

车辆旋转力矩平衡方程：

表示v_x的一阶导数，v_y表示在y方向的速度，

如图9所示，在一种实施方式中，所述简化子模块120包括：

第一设置单元121，用于将前后轮胎收到的纵向力设置为0。

第二设置单元122，用于将轮胎所受的切向力设置为侧偏角的线性函数。

第三设置单元123，用于在x方向将车辆上的任意点的速度设置为相等。

第四设置单元124，用于在y方向，将车辆任意点的速度设置为质心速度与围绕质心旋转线速度的矢量和。

获取单元125，用于获得非线性模型。

其中：

其中C_αf和C_αr分别表示车辆前轮和后轮的侧偏刚度。

在一种实施方式中，所述线性化模块130具体用于对方程在β＝0处进行线性化处理，获得车体坐标系的最终线性状态方程：

表示y方向上的线速度，

表示y方向的线加速度，

表示转向角速度，

表示转向角加速度；

将

用x表示，将

用

表示，

将

用A′表示，将

用B′表示，则所述非线性状态方程可以表示为：

在一种实施方式中，所述转换模块200具体用于将车辆的质心位置，输入量β和状态量x分别进行对称等效转换。

如图10所示，在一种实施方式中，所述调整模块300包括：

误差设置子模块310，用于设置误差目标函数：

其中：x(k)，表示k时刻的状态量x矩阵，

δ(k)表示k时刻的方向盘转角矩阵，

δ(k)＝-Kx(k)，K＝(R+B′^TPB′)^-1B′^TPA′，

其中矩阵P＝A′^TPA′-A′^TPB′(R+B′^TPB′)^-1B′^TPA′+Q；

调节子模块320，用于调节q₁，q₂，q₃，q₄的相对权重，以调整无人车的倒车参数。

本实施例的无人车倒车模型控制装置与上述实施例的无人车倒车模型控制方法的原理类似，故不再赘述。

在另一个实施例中，本发明还提供一种无人车倒车模型控制设备，如图11所示，该设备包括：存储器510和处理器520，存储器510内存储有可在处理器520上运行的计算机程序。所述处理器520执行所述计算机程序时实现上述实施例中的无人车倒车模型控制方法。所述存储器510和处理器520的数量可以为一个或多个。

该设备还包括：

通信接口530，用于与外界设备进行通信，进行数据交互传输。

存储器510可能包含高速RAM存储器，也可能还包括非易失性存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。

如果存储器510、处理器520和通信接口530独立实现，则存储器510、处理器520和通信接口530可以通过总线相互连接并完成相互间的通信。所述总线可以是工业标准体系结构(ISA，Industry Standard Architecture)总线、外部设备互连(PCI，PeripheralComponent)总线或扩展工业标准体系结构(EISA，Extended Industry StandardComponent)总线等。所述总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图11中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。

可选的，在具体实现上，如果存储器510、处理器520及通信接口530集成在一块芯片上，则存储器510、处理器520及通信接口530可以通过内部接口完成相互间的通信。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。

本发明实施例所述的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质的更具体的示例至少(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读存储介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

在本发明实施例中，计算机可读信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于指令执行系统、输入法或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：无线、电线、光缆、射频(Radio Frequency，RF)等等，或者上述的任意合适的组合。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读存储介质中。所述存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到其各种变化或替换，这些都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。