CN110531746A - 一种自动驾驶车辆控制方法及系统、车辆 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无人驾驶车辆控制技术领域，特别是一种自动驾驶车辆控制方法及系统、车辆。通过获取至少主被动安全装置状态和安全检测装置状态，经过分级协调仲裁后得到车辆的速度限制参数和加速度限制参数；并根据车辆当前运行环境、运行控制命令和驾驶员操作命令进行路径规划，得到行驶路径规划；将行驶路径规划的下一时刻所需的车辆运行状态信息，结合速度限制参数和加速度限制参数对比速度参数和加速度参数；将速度参数和加速度参数结合整车动力学模型计算得到整车驱动参数和转向请求参数，根据整车驱动参数和转向请求参数控制车辆行驶，解决现有无人驾驶车辆控制方法中输出量的约束条件为固定量导致实时路况下无法使车辆达到最优的控制的问题。
Description
技术领域
本发明涉及无人驾驶车辆控制技术领域，特别是一种自动驾驶车辆控制方法及系统、车辆。
背景技术
自动驾驶技术和纯电动技术成为未来车辆的潮流，各大汽车和零部件企业推出了针对电动车的电气化自动行驶底盘，比如采埃孚IDDC、大众MEB等，这类电气化平台都使用线控技术、支持灵活的自动驾驶技术，进行模块化的配置，能够降低系统的开发成本以及提升开发效率。电气化底盘技术面向于移动车辆，应用线控技术，从而导致控制系统的架构以及配置，以及整车的行驶安全至关重要。
有中国专利公告号为CN103085816B的专利文献公开了一种用于无人驾驶车辆的轨迹跟踪控制方法及控制装置，该控制方法包括数据预处理器计算车辆当前行驶轨迹与参考轨迹的误差，同时获得与当前行驶模式相对应的目标性能指标函数；上层控制器通过车辆动力学模型预测一段时间内车辆的行驶状态；根据切换控制算法对函数参数进行过渡切换，获得当前采样时刻的性能指标函数；根据预测的行驶状态和性能指标函数，同时考虑性能要求约束条件，计算当前时刻的最优控制量；下层控制器根据最优控制量计算油门开度、刹车踏板压力和方向盘转角；所述的控制装置包括数据预处理器、上层控制器和下层控制器。其中，根据车辆的性能确定的约束条件，为一组确定的约束条件数据，通过控制系统输出的上下限、控制量的上下限和控制增量的上下限约束目标函数，达到二次规划得到最优化的作用，但在实际的车辆运行中，仅通过定量的约束控制不能够有效的适用于实时的路况，无法使车辆达到最优的控制，使得车辆稳定性、舒适性和实用性无法达到预期的效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种自动驾驶车辆控制方法及系统、车辆，用以解决现有无人驾驶车辆控制方法中输出量的约束条件为固定量导致实时路况下无法使车辆达到最优的控制的问题。
为了实现无人驾驶的目的，并在实时路况下优化车辆的控制，使得车辆稳定性、舒适性和实用性能够达到预期的效果，解决现有无人驾驶车辆控制方法中输出量的约束条件为固定量导致实时路况下无法使车辆达到最优的控制的问题，本发明提供一种自动驾驶车辆控制方法，包括以下步骤：
1)获取至少主被动安全装置状态和安全检测装置状态，经过分级协调仲裁后得到车辆的速度限制参数和加速度限制参数；
2)根据车辆当前运行环境、运行控制命令和驾驶员操作命令进行路径规划，得到行驶路径规划；
3)根据行驶路径规划计算下一时刻所需的车辆运行状态信息，结合速度限制参数和加速度限制参数比对得到下一时刻所需的速度参数和加速度参数；
4)将所述速度参数和加速度参数结合整车动力学模型计算得到整车驱动参数和转向请求参数，根据所述整车驱动参数和转向请求参数控制车辆行驶。
进一步地，为了根据更多的信息对车辆进行限制，还获取车辆运行环境条件信息和车辆运行姿态信息，经过分级协调仲裁后得到车辆的速度限制参数和加速度限制参数后，代入步骤3)。
进一步地，为了根据优先级对车辆的运行进行限制，所述分级协调仲裁为通过优先级进行协调仲裁，优先级从高到低依次为主被动安全装置、安全监测装置、车辆运行环境条件限制和车辆运行姿态限制。
进一步地，在上述方法及其改进的基础上，为了根据实际环境对整车动力学模型进行优化，步骤4)中根据所述速度参数和加速度参数对车辆当前的空气动力学参数、轮胎动力学参数和车辆重力参数进行估计，将估计的各参数代入整车动力学模型得到整车驱动和转向请求参数。
进一步地，为了将整车驱动参数和转向请求参数转换成时间的控制命令，步骤4)中得到整车驱动参数和转向请求参数后，根据整车配置输出动力参数命令请求和转向机构参数命令请求控制车辆行驶。
进一步地，为了使计算更加简便，仅通过速度和加速度输出即可得到相应的输出，所述整车动力学模型的公式如下：
其中，u0为车辆当前前进的速度，为前进方向的加速度；v为侧向的速度，为侧向加速度；w为垂向速度，为垂向加速度；p为沿x轴的旋转速度，为沿x轴的旋转加速度；q为沿y轴的旋转速度，为沿y轴的旋转加速度；r为沿z轴的旋转速度，为沿z轴的旋转加速度；∑Fx为x方向的力的和，∑Fy为y方向的力的和，∑Fz为z方向的力的和；∑Mx为x方向的力矩的和，∑My为y方向的力矩的和，∑Mz为z方向的力矩的和；Ixx为车辆沿x轴旋转的转动惯量，Iyy为y轴旋转的转动惯量，Izz为沿z轴旋转的转动惯量。
为了便于上述控制方法在车辆中的使用，使其能够应用线控技术，以适用于电气化底盘技术，将各功能进行模块化设置，本发明提供一种自动驾驶车辆控制系统，包括：
用于根据至少主被动安全装置状态和安全检测装置状态进行分级协调仲裁得到车辆的速度限制参数和加速度限制参数的运行限制模块；
用于根据车辆当前运行环境、运行控制命令和驾驶员操作命令进行行驶路径规划的路径优化模块；
用于根据行驶路径规划得到的下一时刻所需的车辆运行状态信息，结合速度限制参数和加速度限制参数对比得到下一时刻所需的速度参数和加速度参数的状态管理模块；以及
用于根据速度参数和加速度参数，结合整车动力学模型得到整车驱动和转向请求参数的请求参数计算模块。
进一步地，为了根据更多的信息对车辆进行限制，所述运行限制模块还用于根据车辆运行环境条件信息和车辆运行姿态信息，经过分级协调仲裁后得到车辆的速度限制参数和加速度限制参数。
进一步地，为了根据优先级对车辆的运行进行限制，所述运行限制模块协调仲裁的分级为通过优先级进行协调仲裁，优先级从高到低依次为主被动安全装置、安全监测装置、车辆运行环境条件限制和车辆运行姿态限制。
进一步地，在上述系统及其改进的基础上，为了根据实际环境对整车动力学模型进行优化，还包括参数估算模块，所述参数估算模块用于根据速度参数和加速度参数对车辆当前的空气动力学参数、轮胎动力学参数和车辆重力参数进行估计，将估计的各参数输出给所述请求参数计算模块。
进一步地，为了将整车驱动参数和转向请求参数转换成时间的控制命令，还包括参数协调分配模块，所述参数协调分配模块用于根据整车配置输出动力参数命令请求和转向机构参数命令请求控制车辆行驶。
进一步地，为了使计算更加简便，仅通过速度和加速度输出即可得到相应的输出，所述整车动力学模型的公式如下：
其中，u0为车辆当前前进的速度，为前进方向的加速度；v为侧向的速度，为侧向加速度；w为垂向速度，为垂向加速度；p为沿x轴的旋转速度，为沿x轴的旋转加速度；q为沿y轴的旋转速度，为沿y轴的旋转加速度；r为沿z轴的旋转速度，为沿z轴的旋转加速度；∑Fx为x方向的力的和，∑Fy为y方向的力的和，∑Fz为z方向的力的和；∑Mx为x方向的力矩的和，∑My为y方向的力矩的和，∑Mz为z方向的力矩的和；Ixx为车辆沿x轴旋转的转动惯量，Iyy为y轴旋转的转动惯量，Izz为沿z轴旋转的转动惯量。
为了实现无人驾驶车辆的开发，本发明还提供一种车辆，包括感知域控制器、执行域控制器、车辆状态信息采集器和决策域控制器；所述决策域控制器包括运行限制模块、路径优化模块、状态管理模块和请求参数计算模块，所述运行限制模块的输入端连接所述车辆状态信息采集器，用于根据至少主被动安全装置状态和安全检测装置状态进行分级协调仲裁得到车辆的速度限制参数和加速度限制参数；所述路径优化模块的输入端连接所述感知域控制器和车辆状态信息采集器，用于根据车辆当前运行环境、运行控制命令和驾驶员操作命令进行行驶路径规划；所述状态管理模块用于根据行驶路径规划得到的下一时刻所需的车辆运行状态信息，结合速度限制参数和加速度限制参数比对得到下一时刻所需的速度参数和加速度参数；所述请求参数计算模块的输入端连接所述状态管理模块，用于根据速度参数和加速度参数，结合整车动力学模型得到整车驱动和转向请求参数；所述请求参数计算模块的输出端连接所述执行域控制器，所述执行域控制器用于根据整车驱动和转向请求参数控制车辆行驶。
进一步地，为了根据更多的信息对车辆进行限制，所述运行限制模块还用于根据车辆运行环境条件信息和车辆运行姿态信息，经过分级协调仲裁后得到车辆的速度限制参数和加速度限制参数。
进一步地，为了根据优先级对车辆的运行进行限制，所述运行限制模块协调仲裁的分级为通过优先级进行协调仲裁，优先级从高到低依次为主被动安全装置、安全监测装置、车辆运行环境条件限制和车辆运行姿态限制。
进一步地，在上述车辆及其改进的基础上，为了根据实际环境对整车动力学模型进行优化，还包括参数估算模块，所述参数估算模块用于根据速度参数和加速度参数对车辆当前的空气动力学参数、轮胎动力学参数和车辆重力参数进行估计，将估计的各参数输出给所述请求参数计算模块。
进一步地，为了将整车驱动参数和转向请求参数转换成时间的控制命令，还包括参数协调分配模块，所述请求参数计算模块通过所述参数协调分配模块连接所述执行域控制器，所述参数协调分配模块用于根据整车配置输出动力参数命令请求和转向机构参数命令请求，所述执行域控制器用于根据动力参数命令请求和转向机构参数命令请求控制车辆行驶。
附图说明
图1是一种自动驾驶车辆控制系统的原理示意图；
图2是一种自动驾驶车辆控制方法的示意图；
图3是一种自动驾驶车辆控制方法的动力学模型的原理图。
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。
本发明提供一种无人驾驶车辆，如图1所示，包括感知域控制器、执行域控制器、车辆状态信息采集器和决策域控制器，其中决策域控制器包括运行限制模块、路径优化模块、状态管理模块、请求参数计算模块和参数协调分配模块，用于通过一种自动驾驶车辆控制方法实现无人驾驶的功能，该控制方法，如图2所示，包括以下步骤：
1)获取至少主被动安全装置状态和安全检测装置状态，经过分级协调仲裁后得到车辆的速度限制参数和加速度限制参数。
上述运行限制模块的输入端连接车辆状态信息采集器，以获取当前时刻车辆运行状态信息并进行分级协调仲裁得到运行限制参数；其中上述车辆状态信息采集器采集的信息包括驾驶员操作命令信息、主被动安全装置状态信息和安全检测装置状态信息。
该主被动安全装置状态信息包括安全带管理系统信息、车身稳定控制装置信息和安全气囊信息等；该安全检测装置状态信息包括胎压监测系统信息、前方障碍物信息、车道偏移预警信息和道路湿滑预警信息等。
为了根据更多的信息对车辆进行限制，上述车辆状态信息采集器采集的信息还包括车辆运行环境条件信息和车辆运行姿态信息，该车辆运行环境条件信息包括感知域传递的限速和信号灯信息等，该车辆运行姿态信息包括加速度传感器信息等。
该运行限制模块首先会对当前车辆运行状态的分级，分级的依据和限制是根据整车的应用特性来设定的，分级协调仲裁为通过优先级高低进行协调仲裁，例如，包括四个等级：
(1)主被动安全装置已经发生作用，比如安全气囊、爆胎、碰撞等，具备最高的优先级，需要限制车辆以最快的速度停车，并对动力驱动等进行关闭；
(2)安全监测装置发出报警，比如胎压监测到异常、感知域传递的障碍物、偏离车道、路面湿滑等，具备次高的优先级，需要对即将发生的危险进行分类，从而对车辆的运动速度限制，并且对与报警相关的执行器输出参数进行限制；
(3)车辆运行环境条件的限制，比如感知域传递的限速或者信号灯信息，具备较高的优先级，需要根据环境信息对特定的车辆运行速度进行限制，以尽快达到环境要求的安全行驶条件，对相应方向上的力或者执行器进行限制；
(4)车辆运行姿态的限制，比如加速度传感器监测到侧向加速度较大，具备普通的优先级，根据当前车辆的运行姿态，对特定的车辆运行加速度进行限制，并且对相应方向上的力或者执行器进行限制。
除此之外，在每个分级中对于所包含的子系统也会再进行细分，将得到的多种限制信息经过协调仲裁之后，形成一组有效的运行限制参数，用于与整车动力学模型结合进行相应的计算。
2)根据车辆当前运行环境、运行控制命令和驾驶员操作命令进行路径规划，得到行驶路径规划。
上述路径优化模块的输入端连接感知域控制器和车辆状态信息采集器，以获取车辆当前运行环境、运行控制命令和驾驶员操作命令并进行路径规划；其中，车辆当前运行环境和运行控制命令是由感知域控制器发出，驾驶员操作命令是由车辆状态信息采集器发出。该部分的路径规划的方法可采用现有的规划方法进行规划，即完成车速、加速度、路线、灯光等控制的规划。
3)根据行驶路径规划计算下一时刻所需的车辆运行状态信息，结合速度限制参数和加速度限制参数对比得到下一时刻所需的速度参数和加速度参数。
上述状态管理模块的输入端连接路径优化模块，用于根据下一时刻所需的车辆运行状态信息，结合速度限制参数和加速度限制参数对比得到下一时刻所需的运行参数；其中，下一时刻所需的车辆运行状态信息是由路径优化模块给出。
为了能够沿路径优化模块给出的轨迹行驶，需要用到下一时刻所需的运行参数，其中该运行参数需要通过限制参数的优化，最终得到下一时刻所需的速度和加速度，以上述速度和加速度为整车动力学模型的输入，即可得到相应的控制请求参数。
4)将速度参数和加速度参数结合整车动力学模型计算得到整车驱动参数和转向请求参数，根据整车驱动参数和转向请求参数控制车辆行驶。
上述请求参数计算模块的输入端连接上述状态管理模块，用于根据速度参数和加速度参数，结合整车动力学模型得到整车驱动和转向请求参数。
其中，在上述基础上，还根据速度参数和加速度参数对车辆当前的空气动力学参数、轮胎动力学参数和车辆重力参数进行估计，将估计的各参数带入整车动力学模型得到整车驱动和转向请求参数，由于车辆使用情况的不同，参数估计会发生微笑偏差，为了能够更准确的实时估计车辆运行的参数，以便模型更加精确，适应性更强更健壮，上述的空气动力学参数、轮胎动力学参数和车辆重力参数还可与实际传感器测量参数进行校验从而对估计参数进行弥补。实现上述功能的模块为参数估算模块，该参数估算模块的输出端连接上述请求参数计算模块，如图3所示，为上述整车动力学模型的原理示意图。
其中，F表示力，T为扭矩，m为质量，I为转动惯量；x为车辆纵向，以前进方向为正，u为前进的速度，为前进方向的加速度；y为车辆横向，以右侧为正，v为侧向的速度，为侧向加速度；z为车辆垂向，以向上为正，w为垂向速度，为垂向加速度；p为沿x轴的旋转速度，为沿x轴的旋转加速度，侧倾角加速度，顺时针为正；q为沿y轴的旋转速度，为沿y轴的旋转加速度，俯仰角加速度，顺时针为正；r为沿z轴的旋转速度，为沿z轴的旋转加速度，横摆角加速度，顺时针为正；F风为车辆在行驶过程中，受到空气动力学力；F轮为车辆轮胎得到的驱动力，受驱动轴扭矩T驱，以及转向轴扭矩T转和地面摩擦等参数的影响；G为车辆的重力，β为车辆与地面的夹角。
另外，根据图3可知，该整车动力学模型的公式如下：
其中，u0为车辆当前前进的速度，为前进方向的加速度；v为侧向的速度，为侧向加速度；w为垂向速度，为垂向加速度；p为沿x轴的旋转速度，为沿x轴的旋转加速度；q为沿y轴的旋转速度，为沿y轴的旋转加速度；r为沿z轴的旋转速度，为沿z轴的旋转加速度；∑Fx为x方向的力的和，∑Fy为y方向的力的和，∑Fz为z方向的力的和；∑Mx为x方向的力矩的和，∑My为y方向的力矩的和，∑Mz为z方向的力矩的和；Ixx为车辆沿x轴旋转的转动惯量，Iyy为y轴旋转的转动惯量，Izz为沿z轴旋转的转动惯量。
上述参数协调分配模块的输入端连接请求参数计算模块，以采集请求参数信息；该参数协调分配模块的输出端连接决策域控制器，用于根据车辆配置和请求参数向决策域控制器输出动力参数命令请求和转向机构参数命令请求。
针对动力参数命令请求主要包括动力系统的动力系统的工作状态(驱动车辆行驶、待机或者停止、制动能量回收等)请求参数，输出扭矩参数，驱动转速参数，作为动力系统的控制的请求目标。
转向机构参数命令请求主要包括转向机构的工作状态模式(扭矩控制、位置控制等)，转向扭矩、转向角度参数，作为转向机构控制的请求目标。
整车配置是指当前车辆的布置形式和参数，比如全轮驱动、前轮转向后轮驱动、动力系统型式(发动机+变速器、混合动力、纯电动…)，以及自动驾驶或者辅助驾驶的功能配置，比如雷达、摄像头等的布置，这些配置对仲裁和协调参数的选择有重要请求。在一些特殊的条件下，比如转弯过程中，如果车辆配置了电子稳定程序，悬架的控制系统，能够相对于没有配置这类系统的车辆运行更高的过弯速度。
上述决策域控制器用于根据动力参数命令请求和转向机构参数命令请求控制车辆的转向、油门和刹车动作，实现无人驾驶的功能。
上述参数命令请求仅仅为通过整车动力学模型计算得到，除此之外，还可以加入整车其他请求，比如热管理、照明管理等，进行协调，最终输出对各总成实际的参数命令请求。整车动力学模型中对整车动力的请求为驱动系统的扭矩，根据不同动力总成的布置，转化成对发动机的扭矩或者对电池的功率请求，而热管理系统以及照明管理系统表征为功率，可以直接在电池功率请求上进行累加或者转化为对当前发动机转速下的负载扭矩，与发动机扭矩的动力请求扭矩进行累加。
由于自动驾驶分为多个等级，本发明还可以通过对上述功能的配置实现对不同等级的自动驾驶进行配置，实现同一架构下，不同自动驾驶级别的功能；针对不同级别以及不同底盘状态的配置，通过安全限制参数的配置，在不改变系统结构以及基本模型的前提下实现不同底盘驱动系统的控制。
以上给出了本发明涉及的具体实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。在本发明给出的思路下，采用对本领域技术人员而言容易想到的方式对上述实施例中的技术手段进行变换、替换、修改，并且起到的作用与本发明中的相应技术手段基本相同、实现的发明目的也基本相同，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 (10)
1.一种自动驾驶车辆控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)获取至少主被动安全装置状态和安全检测装置状态，经过分级协调仲裁后得到车辆的速度限制参数和加速度限制参数；
2)根据车辆当前运行环境、运行控制命令和驾驶员操作命令进行路径规划，得到行驶路径规划；
3)根据行驶路径规划计算下一时刻所需的车辆运行状态信息，结合速度限制参数和加速度限制参数比对得到下一时刻所需的速度参数和加速度参数；
4)将所述速度参数和加速度参数结合整车动力学模型计算得到整车驱动参数和转向请求参数，根据所述整车驱动参数和转向请求参数控制车辆行驶。
2.根据权利要求1所述的自动驾驶车辆控制方法，其特征在于，还获取车辆运行环境条件信息和车辆运行姿态信息，经过分级协调仲裁后得到车辆的速度限制参数和加速度限制参数后，代入步骤3)。
3.根据权利要求2所述的自动驾驶车辆控制方法，其特征在于，所述分级协调仲裁为通过优先级进行协调仲裁，优先级从高到低依次为主被动安全装置、安全监测装置、车辆运行环境条件限制和车辆运行姿态限制。
4.根据权利要求1、2或3所述的自动驾驶车辆控制方法，其特征在于，步骤4)中根据所述速度参数和加速度参数对车辆当前的空气动力学参数、轮胎动力学参数和车辆重力参数进行估计，将估计的各参数代入整车动力学模型得到整车驱动和转向请求参数。
5.一种自动驾驶车辆控制系统，其特征在于，包括：
用于根据至少主被动安全装置状态和安全检测装置状态进行分级协调仲裁得到车辆的速度限制参数和加速度限制参数的运行限制模块；
用于根据车辆当前运行环境、运行控制命令和驾驶员操作命令进行行驶路径规划的路径优化模块；
用于根据行驶路径规划得到的下一时刻所需的车辆运行状态信息，结合速度限制参数和加速度限制参数比对得到下一时刻所需的速度参数和加速度参数的状态管理模块；以及
用于根据速度参数和加速度参数，结合整车动力学模型得到整车驱动和转向请求参数的请求参数计算模块。
6.根据权利要求5所述的自动驾驶车辆控制系统，其特征在于，所述运行限制模块还用于根据车辆运行环境条件信息和车辆运行姿态信息，经过分级协调仲裁后得到车辆的速度限制参数和加速度限制参数。
7.根据权利要求6所述的自动驾驶车辆控制系统，其特征在于，所述运行限制模块协调仲裁的分级为通过优先级进行协调仲裁，优先级从高到低依次为主被动安全装置、安全监测装置、车辆运行环境条件限制和车辆运行姿态限制。
8.根据权利要求5、6或7所述的自动驾驶车辆控制系统，其特征在于，还包括参数估算模块，所述参数估算模块用于根据速度参数和加速度参数对车辆当前的空气动力学参数、轮胎动力学参数和车辆重力参数进行估计，将估计的各参数输出给所述请求参数计算模块。
9.一种车辆，其特征在于，包括感知域控制器、执行域控制器、车辆状态信息采集器和决策域控制器；所述决策域控制器包括运行限制模块、路径优化模块、状态管理模块和请求参数计算模块，所述运行限制模块的输入端连接所述车辆状态信息采集器，用于根据至少主被动安全装置状态和安全检测装置状态进行分级协调仲裁得到车辆的速度限制参数和加速度限制参数；所述路径优化模块的输入端连接所述感知域控制器和车辆状态信息采集器，用于根据车辆当前运行环境、运行控制命令和驾驶员操作命令进行行驶路径规划；所述状态管理模块用于根据行驶路径规划得到的下一时刻所需的车辆运行状态信息，结合速度限制参数和加速度限制参数比对得到下一时刻所需的速度参数和加速度参数；所述请求参数计算模块的输入端连接所述状态管理模块，用于根据速度参数和加速度参数，结合整车动力学模型得到整车驱动和转向请求参数；所述请求参数计算模块的输出端连接所述执行域控制器，所述执行域控制器用于根据整车驱动和转向请求参数控制车辆行驶。
10.根据权利要求9所述的车辆，其特征在于，所述运行限制模块还用于根据车辆运行环境条件信息和车辆运行姿态信息，经过分级协调仲裁后得到车辆的速度限制参数和加速度限制参数。
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