CN110006419B - 一种基于预瞄的车辆轨迹跟踪点确定方法 - Google Patents

一种基于预瞄的车辆轨迹跟踪点确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及车辆轨迹跟踪领域，具体涉及一种基于预瞄的车辆轨迹跟踪点确定方法。本发明利用坐标系转换，将大地坐标系下期望路径的离散点转换到车辆坐标系中，并与预瞄距离进行比较，根据比较结果快速得到期望路径上的轨迹跟踪点，进而得到由预瞄距离确定的预瞄点和轨迹跟踪点的横向位移误差，从而计算得到车辆前轮转角。本发明所述方法原理简单，计算过程快速准确，能够实现智能车辆的轨迹跟踪。

Description

一种基于预瞄的车辆轨迹跟踪点确定方法
技术领域
本发明涉及车辆轨迹跟踪领域，具体涉及一种基于预瞄的车辆轨迹跟踪点确定方法。
背景技术
随着智能化、网联化的迅速发展，智能车辆成为研究的热点，智能车辆主要包括智能辅助驾驶和无人驾驶。在智能车辆的研究中，涉及轨迹跟随控制部分，该部分主要是通过控制车辆的转向系统及驱动制动系统使得车辆按照期望的轨迹行驶，包括了纵向的速度跟随控制和侧向的路径跟随控制。无论是智能辅助驾驶还是无人驾驶，车辆轨迹跟随控制技术都是其中不可或缺的重要技术环节。目前基于预瞄机制的轨迹跟踪控制方法被普遍应用，在确定预瞄距离后，需要计算跟踪点在整个轨迹上的绝对位置，以便实现智能车辆的轨迹跟随控制。但是在确定跟踪点的位置时，现有的方法存在计算复杂、结果不准确的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于预瞄的车辆轨迹跟踪点确定方法，用以解决现有确定跟踪点的方法计算过程复杂、计算结果不准确的问题。
为实现上述目的，本发明的方案提供了一种基于预瞄的车辆轨迹跟踪点确定方法，包括方法方案一，方法方案一包括以下步骤：
存储大地坐标系下的期望路径，所述期望路径由大地坐标系下的离散点组成；
根据车辆速度确定预瞄距离；
建立车辆坐标系；
将所述大地坐标系下的离散点进行坐标转换，从大地坐标系中转换到所述车辆坐标系中得到车辆坐标系下的离散点，并比较所述预瞄距离和目标距离的差异，所述目标距离为车辆到所述车辆坐标系下的离散点的距离；
根据所述预瞄距离和目标距离的差异确定轨迹跟踪点。
方法方案二，在方法方案一的基础上，比较所述预瞄距离和目标距离的差异的过程包括：当所述车辆坐标系下的离散点的横坐标大于所述预瞄距离时，停止坐标转换，将当前车辆坐标系下的离散点对应的大地坐标系下的离散点作为轨迹跟踪点。
方法方案三、四，分别在方法方案一、二的基础上，所述车辆坐标系的原点为车辆质心。
方法方案五、六，分别在方法方案三、四的基础上，根据所述轨迹跟踪点和所述预瞄距离确定的预瞄点计算横向位移误差，根据所述横向位移误差计算前轮转角。
方法方案七、八，分别在方法方案五、六的基础上，所述坐标转换的计算公式为：
x＝(Y-Y0)cosφ-(X-X0)sinφ
y＝(Y-Y0)sinφ+(X-X0)cosφ
其中，(x,y)是所述车辆坐标系下的离散点的坐标，(X,Y)是所述大地坐标系下的离散点的坐标，(X0,Y0)是车辆坐标系的原点在大地坐标系下的坐标，φ是大地坐标系下的车辆航向角。
方法方案九、十，分别在方法方案七、八的基础上，所述前轮转角的计算公式为：
Figure BDA0001539533020000031
其中，δ为所述前轮转角，m为车辆质量，Cr为前轮侧偏刚度，Cf为后轮侧偏刚度，JZ为车辆的整车转动惯量，e为所述横向位移误差，v是车速，ls为所述预瞄距离；lr为车辆质心到后轴的距离；lf为车辆质心到前轴的距离。
方法方案十一、十二，分别在方法方案九、十的基础上，所述根据车辆速度确定预瞄距离的计算公式为：
Figure BDA0001539533020000032
其中，u为车速，umin为设定最小车速；umax为设定最高车速；Lmin为umin对应的最小预瞄距离；Lmax为umax对应的最大预瞄距离；T为预瞄时间。
方法方案十三、十四，分别在方法方案十一、十二的基础上，所述横向位移误差的计算公式为：
Figure BDA0001539533020000033
其中，e为所述横向位移误差，(XP,YP)为根据所述预瞄距离确定的预瞄点在大地坐标系下的坐标，(Xi,Yi)为所述轨迹跟踪点在大地坐标系下的坐标。
方法方案十五、十六，分别在方法方案十三、十四的基础上，所述预瞄点的计算公式为：
XP＝X0+ls*cosφ
YP＝Y0+ls*sinφ
其中，(XP,YP)为根据所述预瞄距离确定的预瞄点在大地坐标系下的坐标。
本发明的有益效果是：利用坐标系转换，将大地坐标系下期望路径的离散点转换到车辆坐标系中，并与预瞄距离进行比较，根据比较结果快速得到期望路径上的轨迹跟踪点，进而得到由预瞄距离确定的预瞄点和轨迹跟踪点的横向位移误差，从而计算得到车辆前轮转角。本发明所述方法原理简单，计算过程快速准确，能够实现智能车辆的轨迹跟踪。
附图说明
图1是本发明实施例的原理图；
图2是本发明实施例的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
本发明将大地坐标系中期望路径上的离散点按照运动学关系转换到车辆坐标系中，同时将转换后离散点到车辆的距离与预瞄距离比较差异，根据差异能够快速得到轨迹跟踪的跟踪点，从而实现智能车辆的轨迹跟踪。
本发明中关于坐标系的构造有多种实施例，因此本发明的实施例也有多种形式，下面给出一个具体的实施例，该实施例中比较差异的过程是将转化到车辆坐标系中离散点的横坐标与预瞄距离进行比较，得到在车辆前方且第一个横坐标大于预瞄距离的点对应的大地坐标系中的离散点作为轨迹跟踪点。
如图1所示是本实施例的原理图，图1中包括大地坐标系和车辆坐标系的相对关系，图中XOY为大地坐标系，xoy是以车辆质心为原点的车辆坐标系，其中车辆坐标系的x轴为车辆前进方向，Φ为车辆航向角。
车辆的轨迹跟踪可以定义为预瞄点Pk跟踪一条带有时间属性的路径(轨迹),所述预瞄点由预瞄距离ls确定。本实施例中预瞄距离是从车辆坐标系原点开始向车辆前进方向预瞄一定距离得到的，预瞄点即为预瞄距离的结束点。
其中车辆坐标系xoy的原点为无人车质心位置,期望路径上某一轨迹点的速度方向与期望路径相切,这里令其运动的速度为vd。预瞄点Pk在车辆坐标系中的坐标为(ls,0)。当预瞄点始终在期望路径上时，则可以得到预瞄点在全局路径上的绝对位置，从而实现轨迹跟踪。
图1中ls为预瞄距离；lr为车辆质心到后轴的距离；lf为车辆质心到前轴的距离；δ为期望的前轮转角。
图2是本实施例确定轨迹跟踪点的方法流程图，包括：
步骤一：将大地坐标系下期望路径以离散点的形式储存在控制单元中。
步骤二：通常预瞄距离选取为车速的函数，并且随着车速的提高，应适当增加预瞄距离，本实施例中根据车辆行驶车速u确定预瞄距离ls：
Figure BDA0001539533020000051
其中，u为车速，umin为预瞄距离模型中的最小车速，单位为m/s；umax为预瞄距离模型中的最高车速，单位为m/s；Lmin为umin对应的最小预瞄距离，单位为m；Lmax为umax对应的最大预瞄距离,单位为m；T为预瞄时间，单位为s。
步骤三：根据GPS信息，确定车辆质心的当前位置信息，即车辆坐标系的原点在大地坐标系中的坐标(X0,Y0)；同时控制单元接受GPS接收设备得到的大地坐标系下的车辆航向角φ。
步骤四：预瞄点的在大地坐标系下的坐标为(XP,YP)。
XP＝X0+ls*cosφ
YP＝Y0+ls*sinφ
步骤五：将在大地坐标系中的期望路径离散点(X，Y)按照运动学关系转化到车辆坐标系中，得到车辆坐标系下离散点坐标(x，y)，转换关系如下：
x＝(Y-Y0)cosφ-(X-X0)sinφ
y＝(Y-Y0)sinφ+(X-X0)cosφ
步骤六：将转换得到的车辆坐标系下离散点的横坐标x与预瞄距离ls比较。
步骤七：当满足以下条件时，停止坐标转换，以便减小计算量：
xi-ls≥0
xi为转换到车辆坐标系的离散点中的第i个点，控制单元读取xi的下标，得到大地坐标系中基于预瞄距离的轨迹跟踪点(Xi，Yi)。
步骤八：确定预瞄点距期望路径的横向偏差。由于期望路径上离散点间隔很小(例如0.05m)，故可以认为近似预瞄点(XP,YP)和轨迹跟踪点(Xi，Yi)的距离即是预瞄点距离期望路径上的横向位移误差e：
Figure BDA0001539533020000061
步骤九：基于横向位移误差e计算期望的前轮转角δ，从而实现轨迹跟踪:
Figure BDA0001539533020000062
式中，m为车辆质量；Cr为前轮侧偏刚度，Cf为后轮侧偏刚度，JZ为车辆的整车转动惯量，e为所述横向位移误差，v是车速，ls为所述预瞄距离；lr为车辆质心到后轴的距离；lf为车辆质心到前轴的距离。
以上给出了本发明涉及的具体实施方式，利用坐标系转换，将大地坐标系下期望路径的离散点转换到车辆坐标系中，并与预瞄距离进行比较，根据比较结果快速得到轨迹跟踪点，从而计算得到车辆前轮转角。
但本发明不局限于所描述的实施方式，例如大地坐标系和车辆坐标系的其他建立形式，或者坐标系原点位置的改变，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于预瞄的车辆轨迹跟踪点确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
存储大地坐标系下的期望路径，所述期望路径由大地坐标系下的离散点组成；
根据车辆速度确定预瞄距离；
建立车辆坐标系；
将所述大地坐标系下的离散点进行坐标转换，从大地坐标系中转换到所述车辆坐标系中得到车辆坐标系下的离散点，并比较所述预瞄距离和目标距离的差异，所述目标距离为车辆到所述车辆坐标系下的离散点的距离；
根据所述预瞄距离和目标距离的差异确定轨迹跟踪点；
根据所述轨迹跟踪点和所述预瞄距离确定的预瞄点计算横向位移误差，根据所述横向位移误差计算前轮转角，且所述前轮转角的计算公式为：
Figure FDA0003192764400000011
其中，δ为所述前轮转角，m为车辆质量，Cr为前轮侧偏刚度，Cf为后轮侧偏刚度，JZ为车辆的整车转动惯量，e为所述横向位移误差，v是车速，ls为所述预瞄距离；lr为车辆质心到后轴的距离；lf为车辆质心到前轴的距离。
2.根据权利要求1所述的一种基于预瞄的车辆轨迹跟踪点确定方法，其特征在于，比较所述预瞄距离和目标距离的差异的过程包括：当所述车辆坐标系下的离散点的横坐标大于所述预瞄距离时，停止坐标转换，将当前车辆坐标系下的离散点对应的大地坐标系下的离散点作为轨迹跟踪点。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于预瞄的车辆轨迹跟踪点确定方法，其特征在于：所述车辆坐标系的原点为车辆质心。
4.根据权利要求1所述的一种基于预瞄的车辆轨迹跟踪点确定方法，其特征在于，所述坐标转换的计算公式为：
x＝(Y-Y0)cosφ-(X-X0)sinφ
y＝(Y-Y0)sinφ+(X-X0)cosφ
其中，(x,y)是所述车辆坐标系下的离散点的坐标，(X,Y)是所述大地坐标系下的离散点的坐标，(X0,Y0)是车辆坐标系的原点在大地坐标系下的坐标，φ是大地坐标系下的车辆航向角。
5.根据权利要求1所述的一种基于预瞄的车辆轨迹跟踪点确定方法，其特征在于，所述根据车辆速度确定预瞄距离的计算公式为：
Figure FDA0003192764400000021
其中，u为车速，umin为设定最小车速；umax为设定最高车速；Lmin为umin对应的最小预瞄距离；Lmax为umax对应的最大预瞄距离；T为预瞄时间。
6.根据权利要求5所述的一种基于预瞄的车辆轨迹跟踪点确定方法，其特征在于，所述横向位移误差的计算公式为：
Figure FDA0003192764400000022
其中，e为所述横向位移误差，(XP,YP)为根据所述预瞄距离确定的预瞄点在大地坐标系下的坐标，(Xi,Yi)为所述轨迹跟踪点在大地坐标系下的坐标。
7.根据权利要求6所述的一种基于预瞄的车辆轨迹跟踪点确定方法，其特征在于，所述预瞄点的计算公式为：
XP＝X0+ls*cosφ
YP＝Y0+ls*sinφ
其中，(XP,YP)为根据所述预瞄距离确定的预瞄点在大地坐标系下的坐标，(X0,Y0)是车辆坐标系的原点在大地坐标系下的坐标，φ是大地坐标系下的车辆航向角。
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