CN110362088A - 一种适用于无人驾驶跨运车的循迹控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可用于无人驾驶跨运车的循迹控制系统和方法，以解决八轮无人跨运车在箱区和箱区外导航以及不同方向行驶的精准循迹控制。其中在判断所述跨运车的作业区域在箱区外，决定所述跨运车采取八轮转动控制模式，且在判断所述跨运车的作业区域在箱区内，决定所述跨运车采取六轮转动控制模式，其中在所述八轮转动控制模式下，所述跨运车的八个轮子转动，在所述六轮转动控制模式下，所述跨运车的前六个轮子转动，后六个轮子不动。

Description

一种适用于无人驾驶跨运车的循迹控制系统和方法

技术领域

本发明涉及无人驾驶领域，尤其涉及一种适用于无人驾驶跨运车的循迹控制系统和方法。

背景技术

传统乘用车的相关循迹控制方法多针对四轮乘用车。当前的四轮乘用车多为前两轮驱动，车身坐标系置于后两轮中心位置。这些循迹控制方法基于纯跟踪(pure pursuit)方式,其在自行车模型的基础上，主要包括例如根据定位找到当前车辆的位置、找到最近的路径点和目标点、将目标点坐标转换到车辆坐标系以及计算曲率，并根据曲率计算出前轮转角。

在对于目前的无人车，需要全局定位系统(例如，Global positioning System(GPS))来提供车辆在全局定位坐标系下的位置，全局定位系统会提供车辆的x坐标、y坐标和航向角。由于无人车需要跟随的轨迹是一组连续的点，因此能够获取的信息包括这些点在全局坐标系下的x,y坐标和航向角度。计算当前无人车全局坐标点和目标路径点序列集合，通过计算距离找到最近的路径点。继而，从最近的路径点开始依次递增计算后面路径点到车辆当前位置的距离，直到找到一个路径点，使得该路径点与无人车当前位置的距离与规定的前视距离最接近(lookahead distance)。通过坐标变换，将目标点的全局坐标转换到车辆坐标系下，从而计算出目标曲率，并根据无人车的运动学模型得到输出转角。

由于一般的标准乘用车使用前轮驱动，其采取的标准自行车模型将车辆坐标系置于后轮，该动力学模型不能适配于八轮无人跨运车。现有的循迹控制均针对于标准的自行车模型，车辆只能向前运动，而不适用于前向和反向行驶等，其未对不同行驶方向进行修正。此外，现有的循迹控制不能进行模式切换，继而不能适用于不同的场景和需求。例如，在集装箱箱区外的导航模式需要较小的转弯半径以在较小区域内实现转弯。而在集装箱箱区内作业时，需要使行驶路径更为平滑而不会来回抖动。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种可用于无人驾驶跨运车的循迹控制系统和方法，从而解决八轮无人跨运车在箱区和箱区外导航以及不同方向行驶的精准循迹控制。

依据本发明的一个方面，提供了一种用于无人驾驶跨运车的循迹控制系统，其中所述系统包括一控制器，所述控制器用于根据所述跨运车的作业区域在箱区内或箱区外来决定跨运车的控制模式，其中所述控制器在判断所述跨运车的作业区域在箱区外，决定所述跨运车采取八轮转动控制模式，且在判断所述跨运车的作业区域在箱区内，决定所述跨运车采取六轮转动控制模式，其中在所述八轮转动控制模式下，所述跨运车的八个轮子转动，在所述六轮转动控制模式下，所述跨运车的前六个轮子转动，后六个轮子不动。

依据本发明上述方面的循迹控制系统，可在箱区外部导航模式下利用八轮转动控制模式，使得跨运车的转弯半径较小，适合于箱区外的转弯，从而跨运车可以在较小的距离和空间范围内实现车辆的转弯循迹控制，并可实现较高的车辆行驶速度(例如，大约20km/h等)。

此外，在箱区内部使用六轮转动控制模式，可使跨运车的转弯半径较大，以使跨运车循迹时轨迹较为平滑，从而跨运车在箱区内可以在高速度下安全地跟随轨迹，避免出现来回的抖动。

因此，无论八轮转动控制模式或六轮转动控制模式下，都可以实现直接精准的循迹控制。

依据本发明的上述方面的循迹控制系统，其中所述控制器还用于根据路径点判断曲线轨迹的顺时针或逆时针方向，并判断车辆行驶方向是正向行驶或反向行驶。

依据本发明的上述发明的循迹控制系统，可在跨运车正向行驶和反向行驶时都能实现直接精准的循迹控制。

依据本发明的上述发明的循迹控制系统，其中所述控制器还用于根据状态变量和动力学模型来进行优化以得到状态反馈，并根据所述状态反馈和路径曲率来得到前馈。

依据本发明上述方面的循迹控制系统，可根据场景选取不同的控制模式进行循迹控制适配不同的参数。

依据本发明的上述方面的循迹控制系统，其中还包括与所述控制器通信的上层状态机，其中所述上层状态机根据当前跨运车的位置来判断所述跨运车在箱区内或箱区外，并将跨运车的作业区域在箱区内或箱区外的信息提供给所述控制器。

依据本发明上述方面的循迹控制系统，可在不同的跨运车作业区域采用不同的控制模式，从而实现直接精准的循迹控制。

依据本发明上述方面的循迹控制系统，其中所述控制器判断距离当前跨运车位置最近的连续三个路径点分别构成的第一向量和第二向量的叉乘，其中第一向量和第二向量的叉乘大于0，曲线轨迹为逆时针方向，当第一向量和向量的叉乘小于零，曲线轨迹为顺时针方向，所述三个路径点中的第一个点和第二个点构成第一向量，所述三个路径点中的第二个点和第三个点构成第二向量。

依据本发明上述方面的循迹控制系统，其中所述控制器根据从一最近的第一个路径点指向第二近的路径点的向量来判断此向量和车辆参考坐标系的夹角，在夹角大于3*pi/2或者小于pi/2，跨运车正向行驶，否则，跨运车反向行驶。

依据本发明上述方面的循迹控制系统，其中所述控制器依据下式(1)和(2)来进行优化以得到状态反馈:

成本函数：

约束：e_t+1＝Ae_t+Bδ_t 式(2)

其中，状态变量为δ表示控制器输出的转角控制信号，e₁表示状态变量横向误差，表示横向误差变化率，e₂表示航向角度误差，表示航向角度变化速率，下标t表示当前离散采样时刻，以及所述控制器从t时刻的状态反馈角度δ_fb以及根据路径曲率计算得到的前馈角度δ_ff的和δ＝δ_ff+δ_fb来给出转角控制信号。

依据本发明上述方面的循迹控制系统，可实现约束优化,并可根据场景选取不同的控制模式进行循迹控制适配不同的参数。

依据本发明的另一个方面，提供了一种用于无人驾驶跨运车的循迹控制方法，其中所述方法包括用于根据所述跨运车的作业区域在箱区内或箱区外来决定跨运车的控制模式，其中在判断所述跨运车的作业区域在箱区外，决定所述跨运车采取八轮转动控制模式，且在判断所述跨运车的作业区域在箱区内，决定所述跨运车采取六轮转动控制模式，其中在所述八轮转动控制模式下，所述跨运车的八个轮子转动，在所述六轮转动控制模式下，所述跨运车的前六个轮子转动，后六个轮子不动。

依据本发明上述方面的循迹控制方法，可在箱区外部导航模式下利用八轮转动控制模式，使得跨运车的转弯半径较小，适合于箱区外的转弯，从而跨运车可以在较小的距离和空间范围内实现车辆的转弯循迹控制，并可实现较高的车辆行驶速度(例如，大约20km/h等)。

此外，在箱区内部使用六轮转动控制模式，可使跨运车的转弯半径较大，以使跨运车循迹时轨迹较为平滑，从而跨运车在箱区内可以在高速度下安全地跟随轨迹，避免出现来回的抖动。

因此，无论八轮转动控制模式或六轮转动控制模式下，都可以实现直接精准的循迹控制。

依据本发明的上述方面的循迹控制方法，其中还包括根据路径点判断曲线轨迹的顺时针或逆时针方向，并判断车辆行驶方向是正向行驶或反向行驶。

依据本发明的上述发明的循迹控制方法，可在跨运车正向行驶和反向行驶时都能实现直接精准的循迹控制。

依据本发明的上述发明的循迹控制方法，其中还包括根据状态变量和动力学模型来进行优化以得到状态反馈，并根据所述状态反馈和路径曲率来得到前馈。

依据本发明上述方面的循迹控制方法，可根据场景选取不同的控制模式进行循迹控制适配不同的参数。

依据本发明的上述方面的循迹控制方法，其中还包括根据当前跨运车的位置来判断所述跨运车在箱区内或箱区外。

依据本发明上述方面的循迹控制方法，可在不同的跨运车作业区域采用不同的控制模式，从而实现直接精准的循迹控制。

依据本发明上述方面的循迹控制方法，其中还包括判断距离当前跨运车位置最近的连续三个路径点分别构成的第一向量和第二向量的叉乘，其中第一向量和第二向量的叉乘大于0，曲线轨迹为逆时针方向，当第一向量和向量的叉乘小于零，曲线轨迹为顺时针方向，所述三个路径点中的第一个点和第二个点构成第一向量，所述三个路径点中的第二个点和第三个点构成第二向量。

依据本发明上述方面的循迹控制方法，其中还包括根据从一最近的第一个路径点指向第二近的路径点的向量来判断此向量和车辆参考坐标系的夹角，在夹角大于3*pi/2或者小于pi/2，跨运车正向行驶，否则，跨运车反向行驶。

依据本发明上述方面的循迹控制方法，其中还包括依据下式(1)和(2)来进行优化以得到状态反馈:

成本函数：

约束：e_t+1＝Ae_t+Bδ_t 式(2)

其中，状态变量为δ为转角控制信号，e₁表示状态变量横向误差，表示横向误差变化率，e₂表示航向角度误差，表示航向角度变化速率，下标t表示当前离散采样时刻，以及所述从t时刻的状态反馈角度δ_fb以及根据路径曲率计算得到的前馈角度δ_ff的和δ＝δ_ff+δ_fb来给出转角控制信号。

依据本发明上述方面的循迹控制方法，可实现约束优化,并可根据场景选取不同的控制模式进行循迹控制适配不同的参数。

附图说明

图1为依据本发明一个实施例的无人跨运车八轮转向模式的一个例子的示意图；

图2为依据本发明一个实施例的无人跨运车六轮转向模式的一个例子的示意图；

图3为依据本发明一个实施例可用于无人驾驶跨运车的循迹控制方法的一个例子的流程图；

图4为依据本发明一个实施例来判断弯道路径是顺时针还是逆时针的一个例子的示意图；

图5为依据本发明一个实施例可用于无人驾驶跨运车的循迹控制系统的一个例子的方框图。

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。

图1示出依据本发明一个实施例的无人跨运车八轮转向控制模式的一个例子的示意图。如图1所示，所述无人跨运车可包括第一到第八轮子102、104、106、108、112、114、116和118。虽然图1中示出所述无人跨运车可包括八个轮子，但本发明可适用于具有其他数目的轮子的无人跨运车。

如图1所示，可利用基于路径线性化的八轮跨运车的动力学模型。例如，如果采取八轮旋转模式，可将跨运车的前四个轮子102、104、112和114等效成为前轮等效轮120，其位置位于这前四个轮子102、104、112和114的几何中点。可将跨运车的后四个轮子106、108、116和118等效成为后轮等效轮122，其位置位于这后四个轮子106、108、116和118的几何中点。此车辆模型的轴距距离可等于前轮等效轮120和后轮等效轮122之间的距离。

如图1所示，如果采取八轮转向模式，则八个轮子102、104、106、108、112、114、116和118均转动。如果对这八个轮子的轴线作垂线，则所有垂线的交点为无人跨运车的转弯中点130。在此模式下，车辆的转弯半径较小，适合于箱区外的转弯，从而无人跨运车可以在最小的距离内实现车辆的转弯。

例如，在八轮转向模式中，车辆在转弯时外轮的转弯半径，八个轮子可围绕同一点(转弯中心130)进行转弯，连接转弯中心130与轮胎中心的连线，与轮胎方向垂直。例如，连接130与轮子102中心的连线150与，轮子102的轮胎方向160垂直。在此模式中，转弯时外轮112、114、116和118大于内轮102、104、106和108的转弯半径。可将前面四个轮子102、104、112和114等效为位置位于前面这四个轮子102、104、112和114的几何中点的前轮等效轮120。可将后面四个轮子102、104、112和114等效为位置位于后面这四个轮子106、108、116和118的几何中点的后轮等效轮122。该模式下的轴距长度等于所述前轮等效轮120和后轮等效轮122之间的距离。车辆本体的坐标系可置于图1所示车辆的几何中点(center point)140。

图2示出依据本发明一个实施例的无人跨运车六轮(前六轮)转向模式(例如，阿克曼模式)的一个例子的示意图。与上述图1相类似，所述无人跨运车可包括第一到第八轮子102、104、106、108、112、114、116和118。虽然图1中示出所述无人跨运车可包括八个轮子，但本发明可适用于具有其他数目的轮子的无人跨运车。

如图2所示，如果采取六轮转向模式，前面六轮102、104、106、112、114和116可等效成为前轮等效轮220，其位于最前方两轮102和112的几何中点。最后方两轮108和118可等效成为后轮等效轮222，其位于最后方两轮108和118的几何中点。此模型的轴距长度可等于等效前轮等效轮220(最前方两轮102和112的几何中点)到后轮等效轮(最后方两轮108和118的几何中点)的距离。相对于图1所示所有轮子均转动的八轮旋转模式，图2所示六轮转向模式下的等效轴距更大。

例如，在箱区内部进行寻迹控制时，可采取前六轮转向模式，转动时后面两个轮子108和118不动，在这种情况下，车辆的转弯半径比较大，以使无人跨运车循迹时轨迹较为平滑，避免出现来回的抖动。可将前面四个轮子102、104、112和114等效成前等效轮220，其位置位于最前方两个轮子102和112的几何中点。可把后四个轮子等效成后等效轮222，其位置位于最后两个轮子108和118的中点。此模式下的轴距等于这两个等效轮220和222之间的距离。相对于图1所诉的八轮旋转模式相比，此种情况下，跨运车的轴距较大。可将车辆坐标系置于不动的最后两个轮子108和118的中心(图2所示的222)。

图3为依据本发明一个实施例可用于无人驾驶跨运车的循迹控制方法的一个例子的流程图。在一个实施例中，如图5所示，无人驾驶跨运车可包括用于无人驾驶跨运车的循迹控制系统500。所述循迹控制系统500可包括相互电气耦合的上层状态机502和控制层504。上层状态机502和控制层504可相互通信。控制层504可利用图3所示的方法来进行跨运车的循迹控制。所述控制层504可包括可由硬件、软件、固件和/或其组合而构成的一个或多个控制器或类似装置构成。

如图3所示，在框302，控制层可判断跨运车的作业区域，例如，在箱区内还是箱区外。控制层可根据跨运车的作业区域来决定跨运车行驶模式和/或使用的动力学模型。例如，箱区内外信息可由上层状态机根据当前跨运车的位置提供给控制层。

响应于接收到的上层传递给控制层的运行区域信息，当跨运车位于箱区内，控制层可决定使用上述八轮转向模式，模式和匹配参数可根据以上八轮转向模式中所述。例如，参数匹配主要包括跨运车的轴距长度。当位于箱区外，控制层可决定使用上述六轮转向模式。

在框304，控制层可根据路径点判断曲线轨迹为顺时针或逆时针方向。例如，参考图4，其中示出依据本发明一个实施例来判断弯道路径是顺时针还是逆时针的一个例子的示意图。

如图4所示，图4中的弯道包括三个黑色点402、404和406，它们分别是距离当前车辆位置最近的连续的三个路径点，自下而上路径点序号递增。连接第一个点402和第二个点404构成向量a,连接第二个点404和第三个点406构成向量b。当向量a和向量b的叉乘大于0，弯道弧线为逆时针弯道，例如如图4的左半部分所示。当向量a和向量b的叉乘小于零时，弯道弧线为顺时针弯道，如图4的右半部分所示。

在框308，控制层可判断跨运车的车辆行驶方向。在判断车辆是正向行驶还是逆向行驶时，可定义向量从最近的第一个路径点指向第二近的路径点，判断此向量和车辆参考坐标系的夹角，如果夹角大于例如3*pi/2或者小于例如pi/2(其中，pi代表)，则跨运车正向行驶。否则，则判定跨运车反向行驶。

在框310，控制层可计算最优控制。例如，可根据状态变量和动力学模型来进行优化以得到状态反馈，并根据状态反馈项和路径曲率来得到前馈项。

例如，可定义状态变量横向误差e₁，横向误差变化率航向角度误差e₂和航向角度变化速率可把状态变量定义为 δ为控制层输出的偏转角度信号。可用以下式(1)和(2)来实现约束优化,其中下标t表示当前离散采样时刻：

成本函数：

约束：e_t+1＝Ae_t+Bδ_t 式(2)

从以上可得到t时刻的最优反馈转角δ_fb，前馈角度δ_ff可根据路径曲率计算得出。最终给定输出的转角控制信号可等于前馈角度和状态反馈角度的和δ＝δ_ff+δ_fb。

关于适配参数，根据在箱区内部还是外部，由上层状态机根据当前车辆所在区域的位置来判断。例如，与箱区内所应用的前六轮转向模式和箱区外所应用的八轮转向模式相对应的车辆模型的轴距不相同。对于不同行驶模式，横向误差的计算是不同的，在六轮转向模式和八轮转向模式下，车身参考坐标系位置不同。

例如，八轮转向模式下的车身坐标系为车辆底盘的几何中心140，无人驾驶跨运车的定位系统提供的也是车辆几何中心140在全局定位模块下的位置数据，所以在此模式下跨运车位置即为车辆几何中心140在全局坐标系下的位置。对于八轮转向模式，横向误差是车身坐标系原点(车辆底盘几何中心,例如图1所示的140)到参考路径点的距离。

对于六轮转向模式，车辆坐标系原点位于最后方两轮的中点(例如，图2所示的222)，可进行几何坐标变换，由全局定位模块提供的无人跨运车中心的位置推导出车身坐标系原点的位置，以此位置作为跨运车位置的参考点。对于六轮转向模式，车身坐标系原点在后两轮的中点222处，计算横向误差时选取后两轮中点到参考路径点的距离。

使用不同的转向行驶模式，在求解最优控制参数时，通过实际测试使用不同的Q和R参数值。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (14)

1.一种用于无人驾驶跨运车的循迹控制系统，其特征在于所述系统包括一控制器，所述控制器用于根据所述跨运车的作业区域在箱区内或箱区外来决定跨运车的控制模式，其中所述控制器在判断所述跨运车的作业区域在箱区外，决定所述跨运车采取八轮转动控制模式，且在判断所述跨运车的作业区域在箱区内，决定所述跨运车采取六轮转动控制模式，其中在所述八轮转动控制模式下，所述跨运车的八个轮子转动，在所述六轮转动控制模式下，所述跨运车的前六个轮子转动，后六个轮子不动。

2.如权利要求1所述的循迹控制系统，其特征在于所述控制器还用于根据路径点判断曲线轨迹的顺时针或逆时针方向，并判断车辆行驶方向是正向行驶或反向行驶。

3.如权利要求1或2所述的循迹控制系统，其特征在于所述控制器还用于根据状态变量和动力学模型来进行优化以得到状态反馈，并根据所述状态反馈和路径曲率来得到前馈。

4.如以上权利要求中任一项所述的循迹控制系统，其特征在于还包括与所述控制器通信的上层状态机，其中所述上层状态机根据当前跨运车的位置来判断所述跨运车在箱区内或箱区外，并将跨运车的作业区域在箱区内或箱区外的信息提供给所述控制器。

5.如以上权利要求中任一项所述的循迹控制系统，其特征在于所述控制器判断距离当前跨运车位置最近的连续三个路径点分别构成的第一向量和第二向量的叉乘，其中第一向量和第二向量的叉乘大于0，曲线轨迹为逆时针方向，当第一向量和向量的叉乘小于零，曲线轨迹为顺时针方向，所述三个路径点中的第一个点和第二个点构成第一向量，所述三个路径点中的第二个点和第三个点构成第二向量。

6.如以上权利要求中任一项所述的循迹控制系统，其特征在于所述控制器根据从一最近的第一个路径点指向第二近的路径点的向量来判断此向量和车辆参考坐标系的夹角，在夹角大于3*pi/2或者小于pi/2，跨运车正向行驶，否则，跨运车反向行驶。

7.如以上权利要求中任一项所述的循迹控制系统，其特征在于所述控制器依据下式(1)和(2)来进行优化以得到状态反馈：

成本函数：

约束：e_t+1＝Ae_t+Bδ_t 式(2)

其中，状态变量为δ表示控制器输出的转角控制信号，e₁表示状态变量横向误差，表示横向误差变化率，e₂表示航向角度误差，表示航向角度变化速率，下标t表示当前离散采样时刻，以及所述控制器从t时刻的状态反馈角度δ_fb以及根据路径曲率计算得到的前馈角度δ_ff的和δ＝δ_ff+δ_fb来给出转角控制信号。

8.一种用于无人驾驶跨运车的循迹控制方法，其特征在于所述方法包括用于根据所述跨运车的作业区域在箱区内或箱区外来决定跨运车的控制模式，其中在判断所述跨运车的作业区域在箱区外，决定所述跨运车采取八轮转动控制模式，且在判断所述跨运车的作业区域在箱区内，决定所述跨运车采取六轮转动控制模式，其中在所述八轮转动控制模式下，所述跨运车的八个轮子转动，在所述六轮转动控制模式下，所述跨运车的前六个轮子转动，后六个轮子不动。

9.如权利要求8所述的循迹控制方法，其特征在于还包括根据路径点判断曲线轨迹的顺时针或逆时针方向，并判断车辆行驶方向是正向行驶或反向行驶。

10.如权利要求8或9所述的循迹控制方法，其特征在于还包括根据状态变量和动力学模型来进行优化以得到状态反馈，并根据所述状态反馈和路径曲率来得到前馈。

11.如以上权利要求中任一项所述的循迹控制方法，其特征在于还包括根据当前跨运车的位置来判断所述跨运车在箱区内或箱区外。

12.如以上权利要求中任一项所述的循迹控制方法，其特征在于还包括判断距离当前跨运车位置最近的连续三个路径点分别构成的第一向量和第二向量的叉乘，其中第一向量和第二向量的叉乘大于0，曲线轨迹为逆时针方向，当第一向量和向量的叉乘小于零，曲线轨迹为顺时针方向，所述三个路径点中的第一个点和第二个点构成第一向量，所述三个路径点中的第二个点和第三个点构成第二向量。

13.如以上权利要求中任一项所述的循迹控制方法，其特征在于还包括根据从一最近的第一个路径点指向第二近的路径点的向量来判断此向量和车辆参考坐标系的夹角，在夹角大于3*pi/2或者小于pi/2，跨运车正向行驶，否则，跨运车反向行驶。

14.如以上权利要求中任一项所述的循迹控制方法，其特征在于还包括依据下式(1)和(2)来进行优化以得到状态反馈：

成本函数：

约束：e_t+1＝Ae_t+Bδ_t 式(2)

其中，状态变量为δ为转角控制信号，e₁表示状态变量横向误差，表示横向误差变化率，e₂表示航向角度误差，表示航向角度变化速率，下标t表示当前离散采样时刻，以及所述从t时刻的状态反馈角度δ_fb以及根据路径曲率计算得到的前馈角度δ_ff的和δ＝δ_ff+δ_fb来给出转角控制信号。