CN110568758A - 一种自动驾驶汽车的参数自适应横向运动lqr控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自动驾驶汽车的参数自适应横向运动LQR控制方法，具体包括如下步骤：实时采集横向运动控制系统所需的目标路径信息、车辆位置信息、车辆状态信息；对采集的数据进行处理转换；根据采集的数据信息，按制定的基于路径跟踪误差和车‑路位置关系的LQR控制参数调整策略确定当前状态下的控制器参数；根据确定的控制器参数，计算自动驾驶汽车的转向控制量，将其传递给转向执行器执行。本发明在自动驾驶横向LQR控制器为基础，添加一种基于路径跟踪误差和车‑路位置关系的LQR控制器参数计算调整策略，以此实现路径跟踪精度的提高以及控制器自适应性的改善。

Description

一种自动驾驶汽车的参数自适应横向运动LQR控制方法

技术领域

本发明属于自动驾驶横向运动控制领域，尤其是涉及一种自动驾驶汽车的参数自适应横向运动LQR控制方法。

背景技术

自动驾驶的横向运动控制是该项技术的三大核心之一，其根据上层决策规划系统的目标路径信息，输出相应的转向控制指令，控制车辆沿目标路径行驶。横向运动控制方法是整个运动控制系统的核心，其优劣不仅会影响智能汽车对目标路径的跟踪精度，还会对整车的稳定性、舒适性等产生影响。

目前，许多控制方法，如纯跟踪算法、PID控制、滑模控制、最优控制、模型预测控制等，都被应用于自动驾驶横向运动控制器的设计当中。其中，线性二次型最优控制(LQR)理论是一种模型参数物理意义清晰、相对通用性较好，且能够解决多目标优化问题的现代控制方法，其在自动驾驶横向运动控制方面的应用也较为广泛。然而，多数相关研究中，LQR控制器参数(即加权矩阵)一般采用固定值，这种方式在一定程度上限制了控制精度与自适应性的提高。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种自动驾驶汽车的参数自适应横向运动LQR控制方法，以提高路径跟踪精度以及改善控制器自适应性。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种自动驾驶汽车的参数自适应横向运动LQR控制方法，其体包括如下步骤：

步骤S1：实时采集横向运动控制系统所需的目标路径信息、车辆位置信息、车辆状态信息；

步骤S2：对采集的数据进行处理转换；

步骤S3:根据采集的数据信息，按制定的基于路径跟踪误差和车-路位置关系的LQR控制参数调整策略确定当前状态下的控制器参数；

步骤S4：根据确定的控制器参数，计算自动驾驶汽车的转向控制量，将其传递给转向执行器执行。

进一步的，所述步骤S1中，实时采集的信息具体包括：当前时刻的目标点位置信息，目标点曲率ρ，理想航向角ψ_des，车辆纵向车速V_x，车辆横向车速V_y，车辆横摆角速度ω，车辆航向角ψ，车辆自身位置信息，其中当前时刻的目标点位置信息为汽车当前位置与车道中心线交点处的位置信息。

进一步的，所述步骤S2中，对采集的数据进行处理转换，具体包括：

1)将当前时刻的目标点位置信息与车辆自身位置信息进行坐标转换；

2)根据转换后的目标点位置信息与车辆自身位置信息，计算当前时刻车辆与目标点的距离偏差e_y；

3)计算当前时刻车辆与目标点的航向偏差e_ψ，计算公式如下：

e_ψ＝ψ-ψ_des (1)

4)根据车辆纵向车速V_x，车辆横向车速V_y，航向偏差e_ψ，计算距离偏差变化率计算公式如下：

5)根据车辆横摆角速度ω和理想航向角ψ_des计算航向偏差变化率e_ψ，计算公式如下：

进一步的，所述步骤S3具体包括：

1)横向运动LQR控制器涉及的控制参数包括加权矩阵Q和加权矩阵R，具体有Q＝diag[q₁,q₂,q₃,q₄]，R＝[r]，即q₁,q₂,q₃,q₄和r共5个参数；

2)根据控制参数关联的物理量确定其重要程度，将q₂,q₄,r设定为固定值，只针对q₁,q₃进行参数调整；

3)根据路径跟踪误差，计算控制参数q₁,q₃的基础值，计算公式如下：

上式中，k_ey，为参数增益；e_yth，e_ψth为相应误差阈值，其对应参数上限制q_{1_max}，q_{3_max}；

根据车-路间的位置关系，调整参数增益k_ey、不同车-路位置关系下，距离偏差和航向偏差方向不同，具体步骤如下：

将参数增益k_ey、恢复为初始设定值；

若e_y＞0且e_ψ≥0，则k_ey＝k_ey+Δk_ey，不变；

若e_y＞0且e_ψ＜0，则k_ey不变，

若e_y≤0且e_ψ≥0，则k_ey不变，

若e_y≤0且e_ψ＜0，则k_ey＝k_ey+Δk_ey，不变；

5)根据调整后的参数增益计算控制参数的最终值q₁ ^*,q₃ ^*。

进一步的，所述步骤S4中，根据步骤S2中转换的数据以及步骤S3中确定的控制器参数，计算自动驾驶汽车的转向控制量δ_SW，具体如下：

δ_SW＝(-R^-1B^TPX)i (6)

式中，i为转向机构传动比；P为黎卡提方程PA+A^TP-PBR^-1BP^T+Q＝0的解；Q＝diag[q₁ ^*,q₂,q₃ ^*,q₄]；R＝[r]；

m代表整车质量；I_z代表汽车绕垂直方向的转动惯量；ω表示汽车的横摆角速度；l_f和l_r分别代表汽车前、后轴到质心的距离；k_f和k_r分别为前轮和后轮的侧偏刚度。

本发明的另一目的在于提出一种自动驾驶汽车的参数自适应横向运动LQR控制装置，具体是这样实现的：

包括数据采集装置，用于采集横向运动控制系统所需的目标路径信息、车辆位置信息、车辆状态信息；

数据处理装置，用于对采集的数据进行处理转换；

参数确定装置，用于按制定的基于路径跟踪误差和车-路位置关系的LQR控制参数调整策略确定当前状态下的控制器参数；

结果执行装置，用于根据确定的控制器参数，计算自动驾驶汽车的转向控制量，将其传递给转向执行器执行。

相对于现有技术，本发明所述的一种自动驾驶汽车的参数自适应横向运动LQR控制方法及装置具有以下优势：

本发明在一般横向运动LQR控制器的基础上，设计了基于路径跟踪误差与车-路之间位置关系的LQR控制器参数计算与调整策略，以此能够更为充分地利用LQR控制器参数与路径跟踪误差间的关系，进而实现LQR控制器的控制精度和自适应性的提高。

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1参数自适应横向运动LQR控制系统结构示意图；

图2路径跟踪误差转换原理图；

图3车-路位置关系与偏差方向示意图；

图4连续换道工况有无参数自适应调整的跟踪误差与跟踪结果对比曲线(100km/h)。

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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1-4所示，本发明涉及的一种自动驾驶汽车的参数自适应横向运动LQR控制方法，该方法的具体步骤如下：

S1、实时采集横向运动控制系统所需的目标路径信息、车辆位置信息、车辆状态信息；

具体的，实时采集的信息具体包括：当前时刻的目标点(汽车当前位置与车道中心线交点)位置信息，目标点曲率ρ，理想航向角ψ_des，车辆纵向车速V_x，车辆横向车速V_y，车辆横摆角速度ω，车辆航向角ψ，车辆自身位置信息。

S2、对采集的数据进行处理转换；

具体的，包括如下步骤：

S201：将当前时刻的目标点位置信息与车辆自身位置信息进行坐标转换；

S202：根据转换后的目标点位置信息与车辆自身位置信息，计算当前时刻车辆与目标点的距离偏差e_y；

S203:计算当前时刻车辆与目标点的航向偏差e_ψ，计算公式如下：

e_ψ＝ψ-ψ_des (1)

S204:根据车辆纵向车速V_x，车辆横向车速V_y，航向偏差e_ψ，计算距离偏差变化率计算公式如下：

S205:根据车辆横摆角速度ω和理想航向角ψ_des计算航向偏差变化率e_ψ，计算公式如下：

S3、根据采集的数据信息，按制定的基于路径跟踪误差和车-路位置关系的LQR控制参数调整策略确定当前状态下的控制器参数；

具体的，包括如下步骤：

S301:横向运动LQR控制器涉及的控制参数主要为加权矩阵Q和加权矩阵R，具体有Q＝diag[q₁,q₂,q₃,q₄]，R＝[r]，即q₁,q₂,q₃,q₄和r共5个参数；

S302:根据控制参数关联的物理量确定其重要程度，将q₂,q₄,r设定为固定值，只针对q₁,q₃进行参数调整；

S303:根据路径跟踪误差，计算控制参数q₁,q₃的基础值，计算公式如下：

上式中，k_ey，为参数增益；e_yth，e_ψth为相应误差阈值，其对应参数上限制q_{1_max}，q_{3_max}。

S304:根据车-路间的位置关系，调整参数增益k_ey、不同车-路位置关系下，距离偏差和航向偏差方向不同，如图3所示，具体步骤如下：

将参数增益k_ey、恢复为初始设定值；

若e_y＞0且e_ψ≥0，则k_ey＝k_ey+Δk_ey，不变；

若e_y＞0且e_ψ＜0，则k_ey不变，

若e_y≤0且e_ψ≥0，则k_ey不变，

若e_y≤0且e_ψ＜0，则k_ey＝k_ey+Δk_ey，不变；

S305根据调整后的参数增益计算控制参数的最终值q₁ ^*,q₃ ^*。

S4、根据确定的控制器参数，利用设计的控制律计算自动驾驶汽车的转向控制量(方向盘转角)，将其传递给转向执行器执行；

具体的，根据步骤S2中转换的数据以及步骤S3中确定的控制器参数，计算自动驾驶汽车的转向控制量(方向盘转角)δ_SW，具体如下：

δ_SW＝(-R^-1B^TPX)i (6)

式中，i为转向机构传动比；P为黎卡提方程PA+A^TP-PBR^-1BP^T+Q＝0的解；Q＝diag[q₁ ^*,q₂,q₃ ^*,q₄]；R＝[r]；

m代表整车质量；I_z代表汽车绕垂直方向的转动惯量；ω表示汽车的横摆角速度；l_f和l_r分别代表汽车前、后轴到质心的距离；k_f和k_r分别为前轮和后轮的侧偏刚度。

图4所示分别为连续换道工况有无参数自适应调整的跟踪误差与跟踪结果对比曲线(100km/h)。其中，图4(a)为距离偏差示意图，图4(b)为航向偏差示意图，4(c)为目标路径跟踪结果示意图。

本发明还提出一种自动驾驶汽车的参数自适应横向运动LQR控制装置，包括

数据采集装置，用于采集横向运动控制系统所需的目标路径信息、车辆位置信息、车辆状态信息；

数据处理装置，用于对采集的数据进行处理转换；

参数确定装置，用于按制定的基于路径跟踪误差和车-路位置关系的LQR控制参数调整策略确定当前状态下的控制器参数；

结果执行装置，用于根据确定的控制器参数，计算自动驾驶汽车的转向控制量，将其传递给转向执行器执行。

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 (6)

1.一种自动驾驶汽车的参数自适应横向运动LQR控制方法，其特征在于：具体包括如下步骤：

步骤S1：实时采集横向运动控制系统所需的目标路径信息、车辆位置信息、车辆状态信息；

步骤S2：对采集的数据进行处理转换；

步骤S3:根据采集的数据信息，按制定的基于路径跟踪误差和车-路位置关系的LQR控制参数调整策略确定当前状态下的控制器参数；

步骤S4：根据确定的控制器参数，计算自动驾驶汽车的转向控制量，将其传递给转向执行器执行。

2.根据权利要求1所述的一种自动驾驶汽车的参数自适应横向运动LQR控制方法，其特征在于：所述步骤S1中，实时采集的信息具体包括：当前时刻的目标点位置信息，目标点曲率ρ，理想航向角ψ_des，车辆纵向车速V_x，车辆横向车速V_y，车辆横摆角速度ω，车辆航向角ψ，车辆自身位置信息，其中当前时刻的目标点位置信息为汽车当前位置与车道中心线交点处的位置信息。

3.根据权利要求2所述的一种自动驾驶汽车的参数自适应横向运动LQR控制方法，其特征在于：所述步骤S2中，对采集的数据进行处理转换，具体包括：

S201：将当前时刻的目标点位置信息与车辆自身位置信息进行坐标转换；

S202:根据转换后的目标点位置信息与车辆自身位置信息，计算当前时刻车辆与目标点的距离偏差e_y；

S203：计算当前时刻车辆与目标点的航向偏差e_ψ，计算公式如下：

e_ψ＝ψ-ψ_des (1)

S204：根据车辆纵向车速V_x，车辆横向车速V_y，航向偏差e_ψ，计算距离偏差变化率计算公式如下：

S205：根据车辆横摆角速度ω和理想航向角ψ_des计算航向偏差变化率e_ψ，

计算公式如下：

4.根据权利要求3所述的一种自动驾驶汽车的参数自适应横向运动LQR控制方法，其特征在于：所述步骤S3具体包括：

S301:横向运动LQR控制器涉及的控制参数包括加权矩阵Q和加权矩阵R，具体有Q＝diag[q₁,q₂,q₃,q₄]，R＝[r]，即q₁,q₂,q₃,q₄和r共5个参数；

S302:根据控制参数关联的物理量确定其重要程度，将q₂,q₄,r设定为固定值，只针对q₁,q₃进行参数调整；

S303：根据路径跟踪误差，计算控制参数q₁,q₃的基础值，计算公式如下：

上式中，k_ey，为参数增益；e_yth，e_ψth为相应误差阈值，其对应参数上限制q_{1_max}，q_{3_max}；

S304：根据车-路间的位置关系，调整参数增益k_ey、不同车-路位置关系下，距离偏差和航向偏差方向不同，具体步骤如下：

将参数增益k_ey、恢复为初始设定值；

若e_y＞0且e_ψ≥0，则k_ey＝k_ey+Δk_ey，不变；

若e_y＞0且e_ψ＜0，则k_ey不变，

若e_y≤0且e_ψ≥0，则k_ey不变，

若e_y≤0且e_ψ＜0，则k_ey＝k_ey+Δk_ey，不变；

S305：根据调整后的参数增益计算控制参数的最终值q₁ ^*,q₃ ^*。

5.根据权利要求4所述的一种自动驾驶汽车的参数自适应横向运动LQR控制方法，其特征在于：所述步骤S4中，根据步骤S2中转换的数据以及步骤S3中确定的控制器参数，计算自动驾驶汽车的转向控制量δ_SW，具体如下：

δ_SW＝(-R^-1B^TPX)i (6)

式中，i为转向机构传动比；P为黎卡提方程PA+A^TP-PBR^-1BP^T+Q＝0的解；Q＝diag[q₁ ^*,q₂,q₃ ^*,q₄]；R＝[r]；

m代表整车质量；I_z代表汽车绕垂直方向的转动惯量；ω表示汽车的横摆角速度；l_f和l_r分别代表汽车前、后轴到质心的距离；k_f和k_r分别为前轮和后轮的侧偏刚度。

6.一种自动驾驶汽车的参数自适应横向运动LQR控制装置，其特征在于：包括

数据采集装置，用于采集横向运动控制系统所需的目标路径信息、车辆位置信息、车辆状态信息；

数据处理装置，用于对采集的数据进行处理转换；

参数确定装置，用于按制定的基于路径跟踪误差和车-路位置关系的LQR控制参数调整策略确定当前状态下的控制器参数；

结果执行装置，用于根据确定的控制器参数，计算自动驾驶汽车的转向控制量，将其传递给转向执行器执行。