CN110414082A - 一种自动驾驶决策与控制联合仿真模型的构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自动驾驶决策与控制联合仿真模型的构建方法，通过搭建仿真道路环境代替真实道路，通过模拟车辆模型代替实际车辆，通过清晰直观的simulink建模代替繁琐的编写和调试软件。使得决策和控制算法在开发早期进行可行性验证成为可能，并能够更加快速的定位系统漏洞，提高了自动驾驶软件开发的效率，同时减小了实车验证算法时的交通安全问题和经济成本。
Description
技术领域
本发明涉及自动驾驶领域的软件建模仿真领域，更具体地说，涉及一种自动驾驶决策与控制联合仿真模型的构建方法。
背景技术
自动驾驶核心功能主要包括感知、决策、控制部分。通过软件建模仿真的方式搭建道路模型、车辆模型和算法模型，可以在开发早期对比验证各种算法的优劣性。决策和控制联合仿真的目的是解决自动驾驶算法开发中的效率问题，通过车辆模型替换实车，可以更加安全和高效的验证决策和控制系统的稳定性。并且，通过模型直接生成代码和报告，将代码下载到各种快速原型设备上去测试验证，能够减少软件工程师编写代码的时间。
传统开发嵌入式软件的方式是直接通过ECU来控制各种外设，验证软件是否满足功能需求。该方式对于自动驾驶决策和控制系统的开发来说则是直接将软件烧录到自动驾驶控制器中，通过控制器直接控制车辆在实际道路环境中行驶，通过观察车辆运动的轨迹和车辆控制的舒适性等是否满足需求来评估软件的优劣性。使用这种开发方式，存在以下问题：
1、在软件算法开发的早期，可能存在各种无法预测的问题，使用该软件直接控制车辆在实际道路上行驶，可能会由于软件问题造成严重的交通事故，存在很大的危险性。
2、需要花费大量时间和精力在各种不同的道路环境下测试和调试才能验证决策和控制软件系统的性能，开发效率较低。
3、在实车环境上调试，由于不是理想环境，可能造成相同的算法由于环境的变化或传感器噪声的影响，出现不同的结果，不便于分析问题原因。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中自动驾驶决策和控制系统测试和验证困难的缺陷，提供自动驾驶决策与控制联合仿真模型的构建方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种自动驾驶决策与控制联合仿真模型的构建方法，包含如下步骤：
在prescan仿真软件中搭建各种不同的驾驶道路场景；
在carsim仿真软件中根据实际被控车辆的参数来搭建相同性能的仿真车辆，并为仿真车辆配置驱动系统来控制仿真车辆的运行，驱动系统所需的输入参数为：方向盘角度以及油门或刹车踏板位置，输出参数为：车辆位置、车辆速度、车辆航向角及车辆横摆角速度；
在simulink软件中搭建综合处理仿真模型，加载prescan仿真软件中搭建的驾驶道路场景，同时加载carsim仿真软件的搭建的仿真车辆；所述综合处理仿真模型包括决策系统和控制系统；
决策系统根据carsim仿真软件提供的当前的车辆位置、prescan仿真软件提供的仿真车辆所处的驾驶道路场景进行路径规划，计算出下一时刻的期望位置以及期望航向角；决策系统中预设有目标速度；
控制系统根据决策系统计算出的下一时刻的期望位置以及期望航向角、预设的目标速度，以及carsim仿真软件提供的车辆位置与车辆速度，计算出油门或刹车位置，以及方向盘角度，然后将计算结果发给carsim仿真软件中的驱动系统来控制仿真车辆运行；
仿真车辆输出的车辆位置、车辆速度、车辆航向角及车辆横摆角速度又作为下一时刻决策系统和控制系统的输入，从而形成一个闭环，控制车辆沿着目标路径行使。
进一步地，在本发明的自动驾驶决策与控制联合仿真模型的构建方法，还包括在simulink中添加自定义的GUI界面和示波器模块，实时显示仿真车辆的位置和速度。
进一步地，在本发明的自动驾驶决策与控制联合仿真模型的构建方法，在仿真车辆行使的过程中，记录下车辆的相关数据，以在仿真结束后，通过carsim仿真软件的动画显示功能，360度观察车辆仿真过程中的完整运动状态，更加直观的验证决策和控制系统是否符合要求。
进一步地，在本发明的自动驾驶决策与控制联合仿真模型的构建方法，油门或刹车位置是通过下述方法计算得到的：
(1)通过车辆纵向PID算法计算仿真车辆的目标加速度，PID控制公式为：
其中，k表示时刻，e(k)为目标速度与carsim仿真软件提供的车辆速度的偏差，u(k)为目标加速度，Kp、Ki、Kd分别为比例系、积分系数、微分系数；
(2)通过目标加速度u(k)和carsim仿真软件提供的车辆速度进行二维查表得到对应的油门或刹车开度；
(3)对求得的油门或刹车开度进行低通滤波，使得控制效果更加平滑。
进一步地，在本发明的自动驾驶决策与控制联合仿真模型的构建方法，方向盘角度是通过横向车辆动力学模型以及LQR算法计算出来的。
进一步地，在本发明的自动驾驶决策与控制联合仿真模型的构建方法，目标速度为大小不变的常量。
本发明所提及的方案，通过搭建仿真道路环境代替真实道路，通过模拟车辆模型代替实际车辆，通过清晰直观的simulink建模代替繁琐的编写和调试软件。使得决策和控制算法在开发早期进行可行性验证成为可能，并能够更加快速的定位系统漏洞，提高了自动驾驶软件开发的效率，同时减小了实车验证算法时的交通安全问题和经济成本。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是一条驾驶道路场景的模型图；
图2是仿真车辆模型图；
图3是PID的模型图
图4是仿真车辆行驶效果。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
在本实施例中，本发明的一种自动驾驶决策与控制联合仿真模型的构建方法，包含如下步骤：
在prescan仿真软件中搭建各种不同的驾驶道路场景，搭建的一条驾驶道路场景如图1所示；
在carsim仿真软件中根据实际被控车辆的参数来搭建相同性能的仿真车辆，具体可参照图2，并为仿真车辆配置驱动系统来控制仿真车辆的运行，驱动系统所需的输入参数为：方向盘角度以及油门或刹车踏板位置，输出参数为：车辆位置、车辆速度、车辆航向角及车辆横摆角速度；
在simulink软件中搭建综合处理仿真模型，加载prescan仿真软件中搭建的驾驶道路场景，同时加载carsim仿真软件的搭建的仿真车辆；所述综合处理仿真模型包括决策系统和控制系统；
决策系统根据carsim仿真软件提供的当前的车辆位置、prescan仿真软件提供的仿真车辆所处的驾驶道路场景进行路径规划，计算出下一时刻的期望位置以及期望航向角；决策系统中预设有目标速度，目标速度优选为大小不变的常量；
控制系统根据决策系统计算出的下一时刻的期望位置以及期望航向角、预设的目标速度，以及carsim仿真软件提供的车辆位置与车辆速度，计算出油门或刹车位置，以及方向盘角度，然后将计算结果发给carsim仿真软件中的驱动系统来控制仿真车辆运行；
仿真车辆输出的车辆位置、车辆速度、车辆航向角及车辆横摆角速度又作为下一时刻决策系统和控制系统的输入，从而形成一个闭环，控制车辆沿着目标路径行使，效果如图4所示。
此外，为了仿真过程中实时观察车辆的运动轨迹和速度，在simulink中添加自定义的GUI界面和示波器模块，实时显示仿真车辆的位置和速度。在仿真车辆行使的过程中，记录下车辆的相关数据，以在仿真结束后，通过carsim仿真软件的动画显示功能，360度观察车辆仿真过程中的完整运动状态，更加直观的验证决策和控制系统是否符合要求。
参考图3，在本实施例中，油门或刹车位置是通过下述方法计算得到的：
(1)通过车辆纵向(车辆朝前的方向)PID算法计算仿真车辆的目标加速度，PID控制公式为：
其中，k表示时刻，e(k)为目标速度与carsim仿真软件提供的车辆速度的偏差，u(k)为目标加速度，Kp、Ki、Kd分别为比例系、积分系数、微分系数；
(2)通过目标加速度u(k)和carsim仿真软件提供的车辆速度进行二维查表得到对应的油门或刹车开度；
(3)对求得的油门或刹车开度进行低通滤波，使得控制效果更加平滑。
上述具有PID的方法可参考Rajamani R.<<Vehicle Dynamics and Control[M].>>Springer Science,2006。在本实施例中，方向盘角度是通过横向(车的左右两侧方向)车辆动力学模型以及LQR算法计算出来的，具体可参考F.L.Lewis<<Linear QuadraticRegulator(LQR)State Feedback Design>>。
下述将对本发明的控制做一个总的概述。
整个系统由三部分组成：
决策系统：根据车辆当前的位置信息和道路信息计算出车辆下一时刻的期望速度、期望位置和航向角信息。决策系统的输入为：车辆当前位置(carsim车辆模型提供)、道路信息(prescan提供)；输出为：期望位置、期望航向角，以及预设的目标速度；
控制系统：接收决策系统的输出数据，根据纵向控制算法计算出油门或刹车位置、根据横向控制算法计算出方向盘角度。控制系统的输入为：期望速度、期望位置、期望航向角(决策系统提供)，车辆位置、车辆速度(carsim车辆模型提供)；输出为：油门或刹车位置、方向盘角度。
仿真车辆模型(即仿真车辆及驱动系统部分)：车辆模型接收控制系统的输出数据，调整仿真车辆的油门或刹车位置、方向盘角度，从而改变仿真车辆的行驶状态，同时输出车辆当前相关状态信息。仿真车辆模型的输入为：油门或刹车位置、方向盘角度(控制系统提供)；输出为车辆位置、车辆速度、车辆航向角、车辆横摆角速度。
仿真车辆的状态信息又作为下一时刻决策系统和控制系统的输入，从而形成一个闭环，控制车辆沿着目标路径行驶。
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 (6)
1.一种自动驾驶决策与控制联合仿真模型的构建方法，其特征在于，包含如下步骤：
在prescan仿真软件中搭建各种不同的驾驶道路场景；
在carsim仿真软件中根据实际被控车辆的参数来搭建相同性能的仿真车辆，并为仿真车辆配置驱动系统来控制仿真车辆的运行，驱动系统所需的输入参数为：方向盘角度以及油门或刹车踏板位置，输出参数为：车辆位置、车辆速度、车辆航向角及车辆横摆角速度；
在simulink软件中搭建综合处理仿真模型，加载prescan仿真软件中搭建的驾驶道路场景，同时加载carsim仿真软件的搭建的仿真车辆；所述综合处理仿真模型包括决策系统和控制系统；
决策系统根据carsim仿真软件提供的当前的车辆位置、prescan仿真软件提供的仿真车辆所处的驾驶道路场景进行路径规划，计算出下一时刻的期望位置以及期望航向角；决策系统中预设有目标速度；
控制系统根据决策系统计算出的下一时刻的期望位置以及期望航向角、预设的目标速度，以及carsim仿真软件提供的车辆位置与车辆速度，计算出油门或刹车位置，以及方向盘角度，然后将计算结果发给carsim仿真软件中的驱动系统来控制仿真车辆运行；
仿真车辆输出的车辆位置、车辆速度、车辆航向角及车辆横摆角速度又作为下一时刻决策系统和控制系统的输入，从而形成一个闭环，控制车辆沿着目标路径行使。
2.根据权利要求1所述的自动驾驶决策与控制联合仿真模型的构建方法，其特征在于，还包括在simulink中添加自定义的GUI界面和示波器模块，实时显示仿真车辆的位置和速度。
3.根据权利要求1所述的自动驾驶决策与控制联合仿真模型的构建方法，其特征在于，在仿真车辆行使的过程中，记录下车辆的相关数据，以在仿真结束后，通过carsim仿真软件的动画显示功能，360度观察车辆仿真过程中的完整运动状态，更加直观的验证决策和控制系统是否符合要求。
4.根据权利要求1所述的自动驾驶决策与控制联合仿真模型的构建方法，其特征在于，油门或刹车位置是通过下述方法计算得到的：
(1)通过车辆纵向PID算法计算仿真车辆的目标加速度，PID控制公式为：
其中，k表示时刻，e(k)为目标速度与carsim仿真软件提供的车辆速度的偏差，u(k)为目标加速度，Kp、Ki、Kd分别为比例系、积分系数、微分系数；
(2)通过目标加速度u(k)和carsim仿真软件提供的车辆速度进行二维查表得到对应的油门或刹车开度；
(3)对求得的油门或刹车开度进行低通滤波，使得控制效果更加平滑。
5.根据权利要求1所述的自动驾驶决策与控制联合仿真模型的构建方法，其特征在于，方向盘角度是通过横向车辆动力学模型以及LQR算法计算出来的。
6.根据权利要求1所述的自动驾驶决策与控制联合仿真模型的构建方法，其特征在于，目标速度为大小不变的常量。
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