CN110018632B - 一种车辆变道控制方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种车辆变道控制方法，包括：接收变道指令；获取车辆的速度参数；根据速度参数确定预设控制器的控制系数；获取车辆的位置偏差参数和航向角参数；当位置偏差参数大于或等于第一阈值，或，航向角参数大于或等于第二阈值时，根据控制系数、位置偏差参数和航向角参数，确定车辆的目标方向盘转向角；根据目标方向盘转向角，控制车辆进行变道操作；直到位置偏差参数低于第一阈值，且航向角参数低于第二阈值。本发明实施例速度参数、位置偏差参数和航向角通过速度传感器、车载摄像头就可以获取，而不需要依赖高精度的定位系统，能大大减少车辆变道所需的成本和对控制器资源的占用。

Description

一种车辆变道控制方法和装置
技术领域
本发明涉及自动控制技术领域，特别涉及一种车辆变道控制方法和装置。
背景技术
随着自动控制技术的发展，无人驾驶车辆得到越来越高的关注度。在无人驾驶车辆中，变道控制作为一项基础的车辆控制指标，也存在着较多的研究方案。
现有技术在接到变道控制指令后，进行的变道控制方法通常是：根据车辆运动学和动力学模型设计控制算法，使车辆沿着已知轨迹行驶，具体如图1所示的过程；在车辆变道时，通过高精度的定位系统来定位车辆的位置，通过位置判断车辆是否完成变道，例如，定位到车辆到达预设位置，则判定车辆完成变道，指示车辆正常行驶；定位到车辆没有到达预设位置，则判定车辆没有完成变道，继续执行变道操作。
但是，申请人在研究上述方案时发现：现有技术中依靠高精度的定位系统来实现变道控制，一方面，高精度定位系统的成本较高，提升了车辆变道控制成本；另一方面，通过高精度定位系统实现变道控制中，需要频繁的将实时位置与车辆模型结合进行计算，对控制器运算能力要求很高，对控制器的资源占用也很大。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种车辆变道控制方法和装置，以解决或部分解决变道控制时对高精度定位系统的依赖，造成变道控制装置的成本高的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种车辆变道控制方法，包括：
接收变道指令；所述变道指令包括目标行驶车道；
获取所述车辆的速度参数；
根据所述速度参数确定预设控制器的控制系数；
变道控制，包括：获取所述车辆的位置偏差参数和航向角参数；当所述位置偏差参数大于或等于第一阈值，或，所述航向角参数大于或等于第二阈值时，根据所述控制系数、所述位置偏差参数和所述航向角参数，确定所述车辆的目标方向盘转向角；根据所述目标方向盘转向角，控制所述车辆进行变道操作；
重复所述变道控制步骤，直到所述位置偏差参数低于第一阈值，且所述航向角参数低于第二阈值；
其中，所述位置偏差参数为所述车辆的当前位置与所述目标行驶车道之间的横向距离；所述航向角为所述车辆的当前航向与所述目标行驶车道的夹角。
进一步的，所述根据所述速度参数确定预设控制器的控制系数的步骤，包括：
根据所述速度参数与预设的第一参数表的匹配关系，确定所述速度参数对应的第一比例系数和第一微分系数；
根据所述速度参数与预设的第二参数表的匹配关系，确定所述速度参数对应的第二比例系数；
所述根据所述控制系数、所述位置偏差参数和所述航向角参数确定所述车辆的目标方向盘转向角的步骤包括：
根据所述位置偏差参数、所述第一比例系数和所述第一微分系数，通过比例微分控制算法，确定出第一方向盘转角；
根据所述航向角参数、所述第二比例系数，通过比例控制算法，确定出第二方向盘转角；
按照预设规则对所述第一方向盘转角和所述第二方向盘转角进行计算，得到目标方向盘转角。
进一步的，在所述根据所述速度参数确定预设控制器的控制系数之前，还包括：
将预置车速进行模糊化，得到所述预置车速的模糊论域；其中，所述预置车速的模糊论域包括：车速模糊子集，车速隶属度函数；
根据所述车速模糊子集和所述车速隶属度函数，确定不同预置车速下所述比例系数的模糊论域、所述微分系数的模糊论域；其中，所述比例系数的模糊论域包括：比例系数模糊子集，比例系数隶属度函数；所述微分系数的模糊论域包括：微分系数模糊子集，微分系数隶属度函数；
根据所述车速模糊子集，所述车速隶属度函数，所述比例系数模糊子集、所述比例系数隶属度函数、所述微分系数模糊子集，及所述微分系数隶属度函数之间的对应关系，建立所述第一参数表。
进一步的，所述根据所述速度参数与预设的第一参数表的匹配关系，确定所述速度参数对应的第一比例系数和第一微分系数的步骤包括：
确定与所述速度参数匹配的第一车速模糊子集；
确定所述第一车速模糊子集的第一速度端值和第二速度端值；
确定所述第一速度端值在所述第一参数表中对应的第一端值比例系数、第一端值微分系数；
确定所述第二速度端值在所述第一参数表中对应的第二端值比例系数、第二端值微分系数；
确定第一隶属度系数，包括：将所述第一速度端值与所述速度参数的差值，除以所述第二速度端值与所述第一速度端值的差值，确定出第一隶属度系数；
确定第二隶属度系数，包括：将根据所述第二速度端值与所述速度参数的差值，除以所述第二速度端值与所述第一速度端值的差值，确定出第二隶属度系数；
确定所述第一比例系数，包括：将所述第一隶属度系数与所述第一端值比例系数的乘积，与所述第二隶属度系数与所述第二端值比例系数的乘积的和，除以所述第一隶属度系数与所述第二隶属度系数的和，确定出所述第一比例系数；
确定所述第一微分系数，包括：将所述第一隶属度系数与所述第一端值微分系数的乘积，与所述第二隶属度系数与所述第二端值微分系数的乘积的和，除以所述第一隶属度系数与所述第二隶属度系数的和，确定出所述第一微分系数。
进一步的，所述根据所述位置偏差参数、所述第一比例系数和所述第一微分系数，通过比例微分控制算法，确定出第一方向盘转角，包括：
根据预设时长、预设配置规律及所述位置偏差参数，确定在所述预设时长内各时刻的位置偏差参数分量；
根据所述第一比例系数、所述第一微分系数及所述各时刻的位置偏差参数分量，通过比例微分控制算法，确定出所述各时刻的第一方向盘转角；
所述按照预设规则对所述第一方向盘转角和所述第二方向盘转角进行计算，得到目标方向盘转角，包括：
按照预设规则对所述各时刻的第一方向盘转角和所述第二方向盘转角进行计算，得到所述各时刻的目标方向盘转角。
一种车辆变道控制装置，包括：
变道指令接收模块，用于接收变道指令；所述变道指令包括目标行驶车道；
速度参数获取模块，用于获取所述车辆的速度参数；
控制系数确定模块，用于根据所述速度参数确定预设控制器的控制系数；
变道控制模块，用于获取所述车辆的位置偏差参数和航向角参数；当所述位置偏差参数大于或等于第一阈值，或，所述航向角参数大于或等于第二阈值时，根据所述控制系数、所述位置偏差参数和所述航向角参数，确定所述车辆的目标方向盘转向角；根据所述目标方向盘转向角，控制所述车辆进行变道操作；直到所述位置偏差参数低于第一阈值，且所述航向角参数低于第二阈值；其中，所述位置偏差参数为所述车辆的当前位置与所述目标行驶车道之间的横向距离；所述航向角为所述车辆的当前航向与所述目标行驶车道的夹角。
进一步的，所述根据控制系数确定模块包括：
第一确定子模块，用于根据所述速度参数与预设的第一参数表的匹配关系，确定所述速度参数对应的第一比例系数和第一微分系数；
第二确定子模块，用于根据所述速度参数与预设的第二参数表的匹配关系，确定所述速度参数对应的第二比例系数；
所述变道控制模块包括：
第一方向盘转角确定子模块，用于根据所述位置偏差参数、所述第一比例系数和所述第一微分系数，通过比例微分控制算法，确定出第一方向盘转角；
第二方向盘转角确定子模块，用于根据所述航向角参数、所述第二比例系数，通过比例控制算法，确定出第二方向盘转角；
目标方向盘转角确定子模块，用于按照预设规则对所述第一方向盘转角和所述第二方向盘转角进行计算，得到目标方向盘转角。
进一步的，还包括：
车速模糊模块，用于将预置车速进行模糊化，得到所述预置车速的模糊论域；其中，所述预置车速的模糊论域包括：车速模糊子集，车速隶属度函数；
模糊论域确定模块，用于根据所述车速模糊子集和所述车速隶属度函数，确定不同预置车速下所述比例系数的模糊论域、所述微分系数的模糊论域；其中，所述比例系数的模糊论域包括：比例系数模糊子集，比例系数隶属度函数；所述微分系数的模糊论域包括：微分系数模糊子集，微分系数隶属度函数；
第一参数表建立模块，用于根据所述车速模糊子集，所述车速隶属度函数，所述比例系数模糊子集、所述比例系数隶属度函数、所述微分系数模糊子集，及所述微分系数隶属度函数之间的对应关系，建立所述第一参数表。
进一步的，所述第一方向盘转角确定子模块包括：
位置偏差参数分量确定单元，用于根据预设时长、预设配置规律及所述位置偏差参数，确定在所述预设时长内各时刻的位置偏差参数分量；
第一方向盘转角确定单元，用于根据所述第一比例系数、所述第一微分系数及所述各时刻的位置偏差参数分量，通过比例微分控制算法，确定出所述各时刻的第一方向盘转角；
所述目标方向盘转角确定子模块包括：
目标方向盘转角确定单元，用于按照预设规则对所述各时刻的第一方向盘转角和所述第二方向盘转角进行计算，得到所述各时刻的目标方向盘转角。
一种车辆，所述车辆包括任一所述的车辆变道控制装置。
相对于现有技术，本发明所述的车辆变道控制方法具有以下优势：
本发明实施例的一种车辆变道控制方法，在接收到变道指令后，根据车辆的速度参数，车辆与目标行驶车道的横向位置距离以及车辆的航向与目标行驶车道的夹角，就可以通过控制器实现变道控制。具体来说，在接收到变道指令后，先根据速度参数确定出预设控制器的控制参数，预设控制器再分别根据两个变量：车辆的位置偏差参数和航向角参数，确定车辆的目标方向盘转向角，通过目标方向盘转向角可以控制车辆进行变道操作，持续获取位置偏差参数和航向角参数，进行变道操作，直到位置偏差参数低于第一阈值，和，航向角参数低于第二阈值，可以认为该车辆在目标行驶车道上，沿着目标行驶车道的方向行驶，即完成了车辆变道。本发明实施例通过速度参数、位置偏差参数和航向角来控制车辆变道和判定是否完成变道，速度参数、位置偏差参数和航向角通过速度传感器、车载摄像头就可以获取，而不需要依赖高精度的定位系统，能大大减少车辆变道所需的成本和对控制器资源的占用。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为现有技术的一种车辆变道轨迹示意图；
图2为本发明实施例的一种车辆变道控制方法的步骤流程图；
图3为本发明实施例的一种控制系统示意图；
图4为本发明实施例的一种路径规划示意图；
图5为本发明实施例的一种不同车速的变道轨迹图；
图6为本发明实施例的一种位置偏差示意图；
图7为本发明实施例的一种航向角示意图；
图8为本发明实施例的一种车辆变道控制方法的变道控制步骤流程图；
图9为本发明实施例的一种车辆变道控制方法的具体步骤流程图；
图10为本发明实施例的一种变道控制设计示意图；
图11为本发明实施例的一种车速隶属度函数示意图；
图12为本发明实施例的一种比例系数隶属度函数示意图；
图13为本发明实施例的一种微分系数隶属度函数示意图；
图14为本发明实施例的一种消除位置偏差参数的控制算法流程图；
图15为本发明实施例的一种消除航向角参数的控制算法流程图；
图16为本发明实施例的一种具体变道流程示意图；
图17为本发明实施例的一种车辆变道控制装置的结构框图；
图18为本发明实施例的一种车辆变道控制装置的具体结构框图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图2所示，其示出了本发明实施例提供的一种车辆变道控制方法的步骤流程图。
本发明实施例可以用于无人驾驶车辆中，无人驾驶系统的设计与开发大致可分为四个部分的关键技术：环境感知、数据融合、决策规划和运动控制。如图3所示，一辆无人驾驶车要实现自动行驶，首先需要像人一样充分“了解”周围的环境，包括：周围车辆、行人、道路标示、道路路面、天气等一切影响驾驶行为的环境信息，即环境感知。其次，控制系统将采集到的所有传感器信息进行处理，包括：提取、筛选、过滤、对比，最终得到稳定的可真实反映车辆周围环境信息的信号，即数据融合。进而，控制系统根据融合后的信息作出相应的“判断和规划”，包括：保持当前道路行驶、换道、行驶轨迹、行驶速度等内容，即决策规划。最后，控制系统根据接收的决策指令控制车辆完成相应的动作，包括：保持在当前车道内行驶、换道、按规定速度行驶、跟随前车行驶等，即运动控制。
车辆的运动控制是自动驾驶系统的关键技术，运动控制通常可以分为横向控制和纵向控制两部分。如图4所示，横向控制主要实现对车辆转向的控制，目的是控制车辆按照一定轨迹(路径)行驶；纵向控制主要实现对车辆速度的控制，目的是控制车辆按照一定速度行驶。横纵向控制耦合后就实现了系统对车辆的自动控制。
该车辆变道控制方法包括：
步骤101，接收变道指令；所述变道指令包括目标行驶车道。
具体应用中，变道指令可以由控制系统发出，具体来说，当控制系统在进行环境感知、数据融合后，做出变道的决策规划，发出变道指令，在该变道指令中，包含着目标行驶车道信息，该目标行驶车道可以是车辆完成变道后所行驶的车道。
步骤102，获取所述车辆的速度参数。
本发明实施例中，可以通过车辆的车速传感器获取车辆当前的速度参数，控制器通过总线读取速度参数，当然本领域技术人员也可以根据实际应用场景采用其他的方式获取车辆的速度参数，本发明实施例对此不做具体限制。
步骤103，根据所述速度参数确定预设控制器的控制系数。
本发明实施例中，预设控制器可以是PID(proportion integrationdifferentiation，比例积分微分)控制器。
通常情况下，PID控制器由比例单元(P)、积分单元(I)和微分单元(D)组成。其输入e(t)与输出u(t)的关系为:
Figure GDA0001738282230000061
该公式中积分的上下限分别是0和t。
PID控制器的传递函数为:
Figure GDA0001738282230000062
其中kp为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数。
具体应用中，车辆的行驶速度会影响变道时的行驶轨迹。如图5所示，低速时，车辆向左换道后最终到达的位置为a；高速时，车辆向左换道后最终到达的位置为c；分别产生不同的运动轨迹A和B。同理，若在某一时刻车辆向右换道，则可能到达b位置，但是b点的纵向位置也根据车速的不同而定。因此，将车辆的速度参数作为车辆变道控制的一种重要参数，根据速度参数确定预设控制器的控制系数，相较于通常情况下以偏差和偏差变化率作为PID控制器的输入，更能符合车辆的当前变道状态，能使得变道过程的控制简单易行。
步骤104，变道控制，包括：获取所述车辆的位置偏差参数和航向角参数；当所述位置偏差参数大于或等于第一阈值，或，所述航向角参数大于或等于第二阈值时，根据所述控制系数、所述位置偏差参数和所述航向角参数，确定所述车辆的目标方向盘转向角；根据所述目标方向盘转向角，控制所述车辆进行变道操作；重复所述变道控制步骤，直到所述位置偏差参数低于第一阈值，且所述航向角参数低于第二阈值；其中，所述位置偏差参数为所述车辆的当前位置与所述目标行驶车道之间的横向距离；所述航向角为所述车辆的当前航向与所述目标行驶车道的夹角。
本发明实施例中，考虑到车辆完成变道的标准通常是：横向位置在目标行驶车道中，且，车辆航向与目标行驶车道保持一致。在横向控制中，如图6所示，控制器可以根据车辆自身的当前位置和目标行驶车道位置计算得到位置偏差参数；根据位置偏差参数作PID运算得到转角控制量输出给车辆电动助力转向控制单元(EPS)控制车辆转向，随着车辆的移动会逐渐消除位置偏差，当位置偏差完全消除时，车辆就到达了横向目标位置从而实现了换道；在航向控制中，如图7所示，控制器可以根据车辆当前行驶方向与目标行程车道的方向确定出航向角参数；将航向角参数作为控制器的被控量引入，将车辆方向与道路方向的夹角目标值设置为0；控制器消除航向偏差后车辆方向就和道路方向一致，从而使车辆沿着车道行驶。
具体应用中，完成变道的步骤如图8所示，具体为：
步骤1041，获取所述车辆的位置偏差参数和航向角参数；其中，所述位置偏差参数为所述车辆的当前位置与所述目标行驶车道之间的横向距离；所述航向角为所述车辆的当前航向与所述目标行驶车道的夹角。
步骤1042，判断是否达到：所述位置偏差参数低于第一阈值，且所述航向角参数低于第二阈值。若是则结束，若否，则执行步骤1043和步骤1044。
步骤1043，根据所述控制系数、所述位置偏差参数和所述航向角参数，确定所述车辆的目标方向盘转向角。
步骤1044，根据所述目标方向盘转向角，控制所述车辆进行变道操作。
本发明实施例中，目标方向盘转向角可以是控制器将要控制方向盘进行转向的角度，通过方向盘的转动控制车辆进行变道操作。
综上所述，本发明实施例的一种车辆变道控制方法，在接收到变道指令后，根据车辆的速度参数，车辆与目标行驶车道的横向位置距离以及车辆的航向与目标行驶车道的夹角，就可以通过控制器实现变道控制。具体来说，在接收到变道指令后，先根据速度参数确定出预设控制器的控制参数，预设控制器再分别根据两个变量：车辆的位置偏差参数和航向角参数，确定车辆的目标方向盘转向角，通过目标方向盘转向角可以控制车辆进行变道操作，持续获取位置偏差参数和航向角参数，进行变道操作，直到位置偏差参数低于第一阈值，和，航向角参数低于第二阈值，可以认为该车辆在目标行驶车道上，沿着目标行驶车道的方向行驶，即完成了车辆变道。本发明实施例通过速度参数、位置偏差参数和航向角来控制车辆变道和判定是否完成变道，速度参数、位置偏差参数和航向角通过速度传感器、车载摄像头就可以获取，而不需要依赖高精度的定位系统，能大大减少车辆变道所需的成本和对控制器资源的占用。
如图9所示，其示出了本发明实施例提供的一种车辆变道控制方法的具体步骤流程图，该方法具体包括：
步骤201：将预置车速进行模糊化，得到所述预置车速的模糊论域；其中，所述预置车速的模糊论域包括：车速模糊子集，车速隶属度函数。
步骤202：根据所述车速模糊子集和所述车速隶属度函数，确定不同预置车速下所述比例系数的模糊论域、所述微分系数的模糊论域；其中，所述比例系数的模糊论域包括：比例系数模糊子集，比例系数隶属度函数；所述微分系数的模糊论域包括：微分系数模糊子集，微分系数隶属度函数。
步骤203：根据所述车速模糊子集，所述车速隶属度函数，所述比例系数模糊子集、所述比例系数隶属度函数、所述微分系数模糊子集，及所述微分系数隶属度函数之间的对应关系，建立第一参数表。
由于车辆在接收到变道指令时车速是不确定的，不同的车速下变道控制器输出的控制量是不同的。通俗的讲就是当车速较低时，驾驶员需要打出较大的方向盘转角才能控制车辆完成换道；当车速较高时，驾驶员只需打出很小的方向盘转角就能控制车辆换道。因此，在设计PID控制器时就需要根据车速变化调整不同的P、I、D参数，这样才能实现控制器对车速的自适应，从而实现系统对车辆的自适应控制。
本发明实施例中，可以预先在测试系统中构建基于控制器、车辆、传感器、执行单元的闭环控制系统，采用如图10所示的设计思路，在测试系统中预设不同的阈值车速，通过模糊PID控制理论确定出第一参数表。
具体应用中，可以预先通过步骤201至步骤203确定出第一参数表。
模糊控制模块通常有四个组成部分：输入量模糊化接口、输出量清晰化接口、模糊推理、知识库。本发明实施例中，将预置车速作为模糊控制模块的输入，将P、D的系数KP、KD作为模糊控制的输出。
举例来说，为了数学表达和运算简单选择三角形函数作为输入、输出模糊子集的隶属度函数。
输入(预置车速)的模糊论域包括：车速模糊子集，车速隶属度函数。
车速模糊子集可以为，具有固定端点差值的连续子集，以端点差值为5为例，车速模糊子集可以为下述子集：
[0,5]；[5,10]；[10,15]；[15,20]；[20,25]；[25,30]；[30,35]；[35,40]；
[40,45]；[45,50]；[50,55]；[55,60]；[60,65]；[65,70]；[70,75]；[75,80]；
[80,85]；[85,90]；[90,95]；[95,100]；[105,110]；[110,115]；[115,120]。
相应的车速隶属度函数如图11所示，速度越接近端值，隶属度越高。
输出的比例系数KP的模糊论域包括：比例系数模糊子集，比例系数隶属度函数。
以上述车辆模糊子集为输入，经过测试，比例系数模糊子集可以是：
[1.3,1.3]；[1.3,1.4]；[1.4,1.5]；[1.5,1.6]；[1.6,1.73]；[1.73,1.8]；[1.8,2]；[2,2.3]；[2.3,2.6]；[2.6,2.8]；[2.8,3.0]；[3.0,3.3]；[3.3,4.3]；[4.3,5.0]；[5.0,6.5]；[6.5,8.0]；[8.0,11]；[11,13]；[13,17]；[17,24]；[24,27]；[27,38]；[38,45]。
相应的比例系数隶属度函数如图12所示。
输出的微分系数KD的模糊论域包括：微分系数模糊子集，微分系数隶属度函数。
以上述车辆模糊子集为输入，经过测试，微分系数模糊子集可以是：
[0,0]；[0,0.7]；[0.7,0.9]；[0.9,0.95]；[0.95,1]；[1,1.1]；
[1.1,1.2.]；[1.2,1.3]；[1.3,2]；[2,2.5]；[2.5,3]。
相应的微分系数隶属度函数如图13所示。
根据车速模糊子集，车速隶属度函数，比例系数模糊子集、比例系数隶属度函数、微分系数模糊子集，及微分系数隶属度函数之间的对应关系，可以通过不同的预制车速整定出第一参数表作为知识库。第一参数表具体可以为表1：
表1
Figure GDA0001738282230000091
表1如果用模糊语言描述模糊规则，可以是：
If speed is 5,then kp is 40 and kd is 0；
If speed is 10,then kp is 38 and kd is 0；
…
If speed is 120,then kp is 1.3 and kd is 0.9。
依次可以确定出24条模糊规则。对于不同的速度参数，可以通过查取表1的参数，确定出对应的比例系数和微分系数。
步骤204：接收变道指令；所述变道指令包括目标行驶车道。
步骤205：获取所述车辆的速度参数。
步骤206：根据所述速度参数与预设的第一参数表的匹配关系，确定所述速度参数对应的第一比例系数和第一微分系数。
PID控制作为经典的控制理论底蕴深厚、应用广泛、设计简单、可行性强，较MPC(模型预测控制)、神经网络控制、滑模控制等现代控制方法的工程可行性和可推广性强，且应用PID控制设计的算法在控制器中的运行效率高，可降低CPU的负载。
本发明实施例中，根据第一参数表的到的第一比例系数和第一微分系数可以用于消除位置偏差参数。实际应用中，第一参数表的车速参数是不连续的，而实际驾驶过程中车速是连续变化的，所以总会遇到获取的速度参数在第一参数表中查寻不到的情况，在该情况下可以确定获取的车速参数在第一参数表中最接近的参数值，用该参数值确定出该速度参数对应的第一比例系数和第一微分系数。
可以理解，采用确定获取的车速参数在第一参数表中最接近的参数值，用该参数值确定出该速度参数对应的第一比例系数和第一微分系数的方式，因为是预估的参数值，会导致确定的第一比例系数和第一微分系数不够精确，影响变道过程控制的准度，为了解决该问题。
优选的，本发明实施例中，所述根据所述速度参数与预设的第一参数表的匹配关系，确定所述速度参数对应的第一比例系数和第一微分系数的步骤包括：
步骤A1：确定与所述速度参数匹配的第一车速模糊子集。
步骤A2：确定所述第一车速模糊子集的第一速度端值和第二速度端值。
步骤A3：确定所述第一速度端值在所述第一参数表中对应的第一端值比例系数、第一端值微分系数。
步骤A4：确定所述第二速度端值在所述第一参数表中对应的第二端值比例系数、第二端值微分系数。
步骤A5：确定第一隶属度系数，包括：将所述第一速度端值与所述速度参数的差值，除以所述第二速度端值与所述第一速度端值的差值，确定出第一隶属度系数。
步骤A6：确定第二隶属度系数，包括：将根据所述第二速度端值与所述速度参数的差值，除以所述第二速度端值与所述第一速度端值的差值，确定出第二隶属度系数。
步骤A7：确定所述第一比例系数，包括：将所述第一隶属度系数与所述第一端值比例系数的乘积，与所述第二隶属度系数与所述第二端值比例系数的乘积的和，除以所述第一隶属度系数与所述第二隶属度系数的和，确定出所述第一比例系数。
步骤A8：确定所述第一微分系数，包括：将所述第一隶属度系数与所述第一端值微分系数的乘积，与所述第二隶属度系数与所述第二端值微分系数的乘积的和，除以所述第一隶属度系数与所述第二隶属度系数的和，确定出所述第一微分系数。
具体应用中，以第一参数表为表1，速度参数值为16为例，步骤A1-步骤A8,具体实现可以是：
首先确定速度参数16在第一车速模糊子集[15,20]中，第一速度端值为15，第二速度端值为20；且该第一速度端值15对应的第一端值比例系数KP为27，第一端值微分系数KD不存在，该第二速度端值20对应的第一端值比例系数KP为24，第二端值微分系数KD不存在.
则可以进一步通过加权平均法确定出第一比例系数。
具体来说：
可以确定第一隶属度系数k1为：(20-16)/(20-15)，得到0.8；
确定第二隶属度系数k2为：(16-15)/(20-15)，得到0.2；
进而确定输出的第一比例系数KP为：(0.8*27+0.2*24)/(0.8+0.2)，得到26.4。
在该例子中，因为第一端值微分系数和第二端值微分系数不存在，所以确定出第一微分系数不存在，不需要进行微分控制。在其他的例子中，假设存在第一端值微分系数和第二端值微分系数，可以用类似上述确定第一比例系数的方式，确定出第一微分系数，本发明实施例在此不做赘述。
以输出为z0,端值为zi，各端值对应的隶属度系数为ki为例，上述过程可以用公式表示为：
Figure GDA0001738282230000111
实际应用中，本发明实施例的根据第一参数表的到的第一比例系数和第一微分系数消除位置偏差参数的控制算法流程图可以如图14所示。
步骤207：根据所述速度参数与预设的第二参数表的匹配关系，确定所述速度参数对应的第二比例系数。
本发明实施例中，根据第二参数表得到的第二比例系数可以用于消除航向角参数。与用于消除位置偏差参数(横向位置偏差)的模糊-PID控制器设计思想相似，用于消除航向角参数(航向偏差)的PID控制器也需要根据不同的车速调节多组PID参数，在实际控制中根据车速的变化来自动调节参数。不同之处在于换道控制中对航向控制精度要求不是很高，因此PID参数的确定采用查表法且采用P控制。第二参数表可以通过预先测试确定，也可以在现有技术中获取，本发明实施例对此不作具体限定。
举例来说，以第二参数表为表2为例，可以根据获取的速度参数，在表2中查到相对应的近似的或精确的第二比例系数KP。
表2
Speed KP
<15 8
15 7.5
20 6.5
25 6.3
30 5.8
35 5
40 4.3
45 3.8
50 3.3
55 3
60 2.9
65 2.7
70 2.7
75 2.6
80 2.5
85 2.5
90 2.4
95 2.35
100 2.3
105 2.1
110 2
>115 2
实际应用中，本发明实施例的根据第二参数表得到的第二比例系数消除航向角参数的控制算法流程图可以如图15所示。
步骤208：获取所述车辆的位置偏差参数和航向角参数，其中，所述位置偏差参数为所述车辆的当前位置与所述目标行驶车道之间的横向距离；所述航向角为所述车辆的当前航向与所述目标行驶车道的夹角。
步骤209：判断是否达到：所述位置偏差参数低于第一阈值，且所述航向角参数低于第二阈值。若是则结束，若否，则执行步骤1043和步骤1044。。
步骤210：根据所述位置偏差参数、所述第一比例系数和所述第一微分系数，通过比例微分控制算法，确定出第一方向盘转角。
步骤211：根据所述航向角参数、所述第二比例系数，通过比例控制算法，确定出第二方向盘转角。
步骤212：按照预设规则对所述第一方向盘转角和所述第二方向盘转角进行计算，得到目标方向盘转角。
具体应用中，以车辆安装了车载摄像头为例，通过车载摄像头可以确定车辆的实时行驶状况。车辆的位置偏差参数可以通过车辆横向位置和目标行驶车道的横向目标位置的差值确定。步骤208至步骤212可以通过下述方式实现：
确定车辆横向位置：车辆横向位置可以由车载摄像头检测车道线并通过控制器拟合曲线，以三次多项式的形式输出，公式表示如下：
左侧车道线：left_y＝left_c3*x^3+left_c2*x^2+left_c1*x+left_c0
右侧车道线：right_y＝right_c3*x^3+right_c2*x^2+right_c1*x+right_c0
根据多项式的定义，车辆在本车道内时：横向位置＝车道宽/2-left_c0，或横向位置＝right_c0-车道宽/2
进入相邻车道后：横向位置＝3*车道宽/2-left_c0，或横向位置＝right_c0+车道宽/2
航向角参数(HeadingAngle)也可以在车载摄像头中读取为:arctan(left_c1)或arctan(right_c0)。
确定横向目标位置：左换道：一个车道宽(标准车道为3.75m)；右换道：一个车道宽的负值。
偏差计算：位置偏差参数＝目标横向位置-实时横向位置
航向角参数＝-HeadingAngle
PID参数获取：用于消除横向位置偏差的PID控制器参数：通过第一参数表获取；用于消除航向偏差的PID控制器参数：通过第二参数表获取。
PID运算：对横向位置偏差作PD运算：y1＝kp*e(t)+kd*de(t)/dt
对航向偏差作P运算：y2＝kp*e(t)
目标控制量：目标方向盘转角＝y1+y2
优选的，还可以对目标转角输出处理：例如变化率限制：根据EPS最大响应速率确定上下限；确定最大最小值限制：根据车辆转向机构的极限转角值确定；一阶滞后滤波：根据执行机构响应滞后时间确定滤波系数滤波。
以上过程可用图16表示。本技术方案已经在实车上经过上百次测试验证，控制的鲁棒性、舒适性均很好，且应用PID控制设计的算法在控制器中的运行效率高，可降低CPU的负载。
作为本发明实施例的一种优选方案，步骤210的一种实现方式是：根据预设时长、预设配置规律及所述位置偏差参数，确定在所述预设时长内各时刻的位置偏差参数分量；根据所述第一比例系数、所述第一微分系数及所述各时刻的位置偏差参数分量，通过比例微分控制算法，确定出所述各时刻的第一方向盘转角。此时，步骤212的实现方式是：按照预设规则对所述各时刻的第一方向盘转角和所述第二方向盘转角进行计算，得到所述各时刻的目标方向盘转角。
具体应用中，考虑到在进行变道操作时，初始时由于车辆到目标行驶航道的距离较远，位置偏差参数较大，如果将位置偏差参数直接作为控制器的输入，将会导致在开始变道时，车辆获取一个较大的目标方向盘转向角，引起车辆的不稳定。为了消除该不稳定，本发明实施例中，在获取到位置偏差参数后，根据预设时长、预设配置规律及所述位置偏差参数，确定在所述预设时长内各时刻的位置偏差参数分量；然后根据第一比例系数、所述第一微分系数及所述各时刻的位置偏差参数分量，通过比例微分控制算法，确定出所述各时刻的第一方向盘转角。也就是首先把位置偏差参量按时间划分，这个划分可以是连续的，也可以是间隔的，本发明实施例对此不作具体限定，然后得到各时间点的第一方向盘转角；那么后续就可以实现按照各时间点的目标方向盘转向角，逐步去控制车辆进行变道，保持车辆变道过程的稳定性。
综上所述，本发明实施例的一种车辆变道控制方法，在接收到变道指令后，根据车辆的速度参数，车辆与目标行驶车道的横向位置距离以及车辆的航向与目标行驶车道的夹角，就可以通过控制器实现变道控制。具体来说，在接收到变道指令后，先根据速度参数确定出预设控制器的控制参数，预设控制器再分别根据两个变量：车辆的位置偏差参数和航向角参数，确定车辆的目标方向盘转向角，通过目标方向盘转向角可以控制车辆进行变道操作，持续获取位置偏差参数和航向角参数，进行变道操作，直到位置偏差参数低于第一阈值，和，航向角参数低于第二阈值，可以认为该车辆在目标行驶车道上，沿着目标行驶车道的方向行驶，即完成了车辆变道。本发明实施例通过速度参数、位置偏差参数和航向角来控制车辆变道和判定是否完成变道，速度参数、位置偏差参数和航向角通过速度传感器、车载摄像头就可以获取，而不需要依赖高精度的定位系统，能大大减少车辆变道所需的成本和对控制器资源的占用。
如图17所示，其示出了本发明实施例提供的一种车辆变道控制装置的结构框图，该装置具体包括：
变道指令接收模块310，用于接收变道指令；所述变道指令包括目标行驶车道；
速度参数获取模块320，用于获取所述车辆的速度参数；
控制系数确定模块330，用于根据所述速度参数确定预设控制器的控制系数；
变道控制模块340，用于获取所述车辆的位置偏差参数和航向角参数；当所述位置偏差参数大于或等于第一阈值，或，所述航向角参数大于或等于第二阈值时，根据所述控制系数、所述位置偏差参数和所述航向角参数，确定所述车辆的目标方向盘转向角；根据所述目标方向盘转向角，控制所述车辆进行变道操作；直到所述位置偏差参数低于第一阈值，且所述航向角参数低于第二阈值；其中，所述位置偏差参数为所述车辆的当前位置与所述目标行驶车道之间的横向距离；所述航向角为所述车辆的当前航向与所述目标行驶车道的夹角。
如图18所示，其示出了本发明实施例提供的一种车辆变道控制装置的具体结构框图，在图17的基础上，所述装置中：
所述根据控制系数确定模块330包括：
第一确定子模块3301，用于根据所述速度参数与预设的第一参数表的匹配关系，确定所述速度参数对应的第一比例系数和第一微分系数。
第二确定子模块3302，用于根据所述速度参数与预设的第二参数表的匹配关系，确定所述速度参数对应的第二比例系数。
所述变道控制模块340包括：
第一方向盘转角确定子模块3401，用于根据所述位置偏差参数、所述第一比例系数和所述第一微分系数，通过比例微分控制算法，确定出第一方向盘转角。
第二方向盘转角确定子模块3402，用于根据所述航向角参数、所述第二比例系数，通过比例控制算法，确定出第二方向盘转角。
目标方向盘转角确定子模块3403，用于按照预设规则对所述第一方向盘转角和所述第二方向盘转角进行计算，得到目标方向盘转角。
所述装置还包括：
车速模糊模块350，用于将预置车速进行模糊化，得到所述预置车速的模糊论域；其中，所述预置车速的模糊论域包括：车速模糊子集，车速隶属度函数。
模糊论域确定模块360，用于根据所述车速模糊子集和所述车速隶属度函数，确定不同预置车速下所述比例系数的模糊论域、所述微分系数的模糊论域；其中，所述比例系数的模糊论域包括：比例系数模糊子集，比例系数隶属度函数；所述微分系数的模糊论域包括：微分系数模糊子集，微分系数隶属度函数。
第一参数表建立模块370，用于根据所述车速模糊子集，所述车速隶属度函数，所述比例系数模糊子集、所述比例系数隶属度函数、所述微分系数模糊子集，及所述微分系数隶属度函数之间的对应关系，建立所述第一参数表。
所述第一方向盘转角确定子模块3401包括：
位置偏差参数分量确定单元34011，用于根据预设时长、预设配置规律及所述位置偏差参数，确定在所述预设时长内各时刻的位置偏差参数分量；
第一方向盘转角确定单元34012，用于根据所述第一比例系数、所述第一微分系数及所述各时刻的位置偏差参数分量，通过比例微分控制算法，确定出所述各时刻的第一方向盘转角；
所述目标方向盘转角确定子模块3403包括：
目标方向盘转角确定单元34031，用于按照预设规则对所述各时刻的第一方向盘转角和所述第二方向盘转角进行计算，得到所述各时刻的目标方向盘转角。
一种车辆，车辆包括任一所述的车辆变道控制装置。
本发明实施例在接收到变道指令后，根据车辆的速度参数，车辆与目标行驶车道的横向位置距离以及车辆的航向与目标行驶车道的夹角，就可以通过控制器实现变道控制。具体来说，在接收到变道指令后，先根据速度参数确定出预设控制器的控制参数，预设控制器再分别根据两个变量：车辆的位置偏差参数和航向角参数，确定车辆的目标方向盘转向角，通过目标方向盘转向角可以控制车辆进行变道操作，持续获取位置偏差参数和航向角参数，进行变道操作，直到位置偏差参数低于第一阈值，和，航向角参数低于第二阈值，可以认为该车辆在目标行驶车道上，沿着目标行驶车道的方向行驶，即完成了车辆变道。本发明实施例通过速度参数、位置偏差参数和航向角来控制车辆变道和判定是否完成变道，速度参数、位置偏差参数和航向角通过速度传感器、车载摄像头就可以获取，而不需要依赖高精度的定位系统，能大大减少车辆变道所需的成本和对控制器资源的占用。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种车辆变道控制方法，其特征在于，包括：
接收变道指令；所述变道指令包括目标行驶车道；
获取所述车辆的速度参数；
根据所述速度参数确定预设控制器的控制系数，包括：根据所述速度参数与预设的第一参数表的匹配关系，确定所述速度参数对应的第一比例系数和第一微分系数；
根据所述速度参数与预设的第二参数表的匹配关系，确定所述速度参数对应的第二比例系数；
变道控制，包括：获取所述车辆的位置偏差参数和航向角参数；当所述位置偏差参数大于或等于第一阈值，或，所述航向角参数大于或等于第二阈值时，根据所述控制系数、所述位置偏差参数和所述航向角参数，确定所述车辆的目标方向盘转向角；根据所述目标方向盘转向角，控制所述车辆进行变道操作；
重复所述变道控制步骤，直到所述位置偏差参数低于第一阈值，且所述航向角参数低于第二阈值；
其中，所述位置偏差参数为所述车辆的当前位置与所述目标行驶车道之间的横向距离；所述航向角为所述车辆的当前航向与所述目标行驶车道的夹角。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述控制系数、所述位置偏差参数和所述航向角参数确定所述车辆的目标方向盘转向角的步骤包括：
根据所述位置偏差参数、所述第一比例系数和所述第一微分系数，通过比例微分控制算法，确定出第一方向盘转角；
根据所述航向角参数、所述第二比例系数，通过比例控制算法，确定出第二方向盘转角；
按照预设规则对所述第一方向盘转角和所述第二方向盘转角进行计算，得到目标方向盘转角。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述根据所述速度参数确定预设控制器的控制系数之前，还包括：
将预置车速进行模糊化，得到所述预置车速的模糊论域；其中，所述预置车速的模糊论域包括：车速模糊子集，车速隶属度函数；
根据所述车速模糊子集和所述车速隶属度函数，确定不同预置车速下所述比例系数的模糊论域、所述微分系数的模糊论域；其中，所述比例系数的模糊论域包括：比例系数模糊子集，比例系数隶属度函数；所述微分系数的模糊论域包括：微分系数模糊子集，微分系数隶属度函数；
根据所述车速模糊子集，所述车速隶属度函数，所述比例系数模糊子集、所述比例系数隶属度函数、所述微分系数模糊子集，及所述微分系数隶属度函数之间的对应关系，建立所述第一参数表。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述速度参数与预设的第一参数表的匹配关系，确定所述速度参数对应的第一比例系数和第一微分系数的步骤包括：
确定与所述速度参数匹配的第一车速模糊子集；
确定所述第一车速模糊子集的第一速度端值和第二速度端值；
确定所述第一速度端值在所述第一参数表中对应的第一端值比例系数、第一端值微分系数；
确定所述第二速度端值在所述第一参数表中对应的第二端值比例系数、第二端值微分系数；
确定第一隶属度系数，包括：将所述第一速度端值与所述速度参数的差值，除以所述第二速度端值与所述第一速度端值的差值，确定出第一隶属度系数；
确定第二隶属度系数，包括：将根据所述第二速度端值与所述速度参数的差值，除以所述第二速度端值与所述第一速度端值的差值，确定出第二隶属度系数；
确定所述第一比例系数，包括：将所述第一隶属度系数与所述第一端值比例系数的乘积，与所述第二隶属度系数与所述第二端值比例系数的乘积的和，除以所述第一隶属度系数与所述第二隶属度系数的和，确定出所述第一比例系数；
确定所述第一微分系数，包括：将所述第一隶属度系数与所述第一端值微分系数的乘积，与所述第二隶属度系数与所述第二端值微分系数的乘积的和，除以所述第一隶属度系数与所述第二隶属度系数的和，确定出所述第一微分系数。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述位置偏差参数、所述第一比例系数和所述第一微分系数，通过比例微分控制算法，确定出第一方向盘转角，包括：
根据预设时长、预设配置规律及所述位置偏差参数，确定在所述预设时长内各时刻的位置偏差参数分量；
根据所述第一比例系数、所述第一微分系数及所述各时刻的位置偏差参数分量，通过比例微分控制算法，确定出所述各时刻的第一方向盘转角；
所述按照预设规则对所述第一方向盘转角和所述第二方向盘转角进行计算，得到目标方向盘转角，包括：
按照预设规则对所述各时刻的第一方向盘转角和所述第二方向盘转角进行计算，得到所述各时刻的目标方向盘转角。
6.一种车辆变道控制装置，其特征在于，包括：
变道指令接收模块，用于接收变道指令；所述变道指令包括目标行驶车道；
速度参数获取模块，用于获取所述车辆的速度参数；
控制系数确定模块，用于根据所述速度参数确定预设控制器的控制系数；
所述控制系数确定模块包括：
第一确定子模块，用于根据所述速度参数与预设的第一参数表的匹配关系，确定所述速度参数对应的第一比例系数和第一微分系数；
第二确定子模块，用于根据所述速度参数与预设的第二参数表的匹配关系，确定所述速度参数对应的第二比例系数；
变道控制模块，用于获取所述车辆的位置偏差参数和航向角参数；当所述位置偏差参数大于或等于第一阈值，或，所述航向角参数大于或等于第二阈值时，根据所述控制系数、所述位置偏差参数和所述航向角参数，确定所述车辆的目标方向盘转向角；根据所述目标方向盘转向角，控制所述车辆进行变道操作；直到所述位置偏差参数低于第一阈值，且所述航向角参数低于第二阈值；其中，所述位置偏差参数为所述车辆的当前位置与所述目标行驶车道之间的横向距离；所述航向角为所述车辆的当前航向与所述目标行驶车道的夹角。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述变道控制模块包括：
第一方向盘转角确定子模块，用于根据所述位置偏差参数、所述第一比例系数和所述第一微分系数，通过比例微分控制算法，确定出第一方向盘转角；
第二方向盘转角确定子模块，用于根据所述航向角参数、所述第二比例系数，通过比例控制算法，确定出第二方向盘转角；
目标方向盘转角确定子模块，用于按照预设规则对所述第一方向盘转角和所述第二方向盘转角进行计算，得到目标方向盘转角。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，还包括：
车速模糊模块，用于将预置车速进行模糊化，得到所述预置车速的模糊论域；其中，所述预置车速的模糊论域包括：车速模糊子集，车速隶属度函数；
模糊论域确定模块，用于根据所述车速模糊子集和所述车速隶属度函数，确定不同预置车速下所述比例系数的模糊论域、所述微分系数的模糊论域；其中，所述比例系数的模糊论域包括：比例系数模糊子集，比例系数隶属度函数；所述微分系数的模糊论域包括：微分系数模糊子集，微分系数隶属度函数；
第一参数表建立模块，用于根据所述车速模糊子集，所述车速隶属度函数，所述比例系数模糊子集、所述比例系数隶属度函数、所述微分系数模糊子集，及所述微分系数隶属度函数之间的对应关系，建立所述第一参数表。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第一方向盘转角确定子模块包括：
位置偏差参数分量确定单元，用于根据预设时长、预设配置规律及所述位置偏差参数，确定在所述预设时长内各时刻的位置偏差参数分量；
第一方向盘转角确定单元，用于根据所述第一比例系数、所述第一微分系数及所述各时刻的位置偏差参数分量，通过比例微分控制算法，确定出所述各时刻的第一方向盘转角；
所述目标方向盘转角确定子模块包括：
目标方向盘转角确定单元，用于按照预设规则对所述各时刻的第一方向盘转角和所述第二方向盘转角进行计算，得到所述各时刻的目标方向盘转角。
10.一种车辆，其特征在于，所述车辆包括权利要求6至9任一所述的车辆变道控制装置。
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