CN110874098A - 控制模块、智能车控制方法及其控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种控制模块、智能车控制方法及其控制系统。所述控制模块包括智能规划单元、第一状态机和第二状态机，所述智能规划单元用于规划智能车运行的轨迹点，并根据轨迹点计算和输出控制指令；所述第一状态机响应于自动模式的反馈信号，根据设定的逻辑切换所述智能规划单元的工作模式；所述第二状态机根据设定的逻辑切换所述智能规划单元的子工作模式。相较于传统的智能车控制方法和控制系统，本发明通过在上层控制器中选择前述的控制模块，可以根据实时车辆情况和环境情况及时调整智能车的相应设定，实现了安全性和运行稳定性更好的智能车控制方法和控制系统。

Description

控制模块、智能车控制方法及其控制系统

技术领域

本发明涉及智能车技术领域，特别是涉及一种控制模块、智能车控制方法及其控制系统。

背景技术

随着科技的发展，智能车成为汽车未来的重要发展方向。智能车依靠人工智能，可以在没有人主动操作的情况下，让计算机自动安全地操作机动车。智能车不仅能提高人们的出行便利性和出行体验，还能极大提升人们出行的效率。但是，智能车的安全性仍然是当前需要解决的主要问题之一。在影响智能车安全性的因素中，智能车的决策与控制是其中最关键的因素之一，这直接影响到安全性与合理性，因此，提高智能车决策与控制的灵敏度与准确性是提高智能车的关键任务。

当前智能车的决策与控制主要从智能车本身着手，让智能车根据行程的起点和终点自动规划行驶路线，并做出相关的分析和判断，完成诸如刹车、加速和转向等等一系列操作。现有智能车的综合控制系统往往只包含轨迹跟踪控制器，通常都采用相对简单的运算逻辑对智能车的行驶信息进行运算，其运算精度，广度和深度都受到一定的限制。而且，当前智能车的综合控制系统没有考虑智能车运行中可能发生的意外情况，当发生意外情况时，智能车如果继续输出控制指令，会导致非常严重的后果。

因此，有必要针对现有智能车控制逻辑简单、安全性不足的技术问题，提出一种控制模块、智能车控制方法及其控制系统。

发明内容

基于此，有必要针对现有智能车控制逻辑简单、安全性不足的问题，提供一种控制模块、智能车控制方法及其控制系统。

一种控制模块，应用于智能车控制系统的上层控制器，所述控制模块包括：

智能规划单元，用于规划智能车运行的轨迹点，并根据轨迹点计算和输出控制指令；所述控制指令包括智能车的运行速度和转动角度，所述控制指令用于发送给下层控制器，以控制所述智能车的运动；

第一状态机，响应于所述智能车的自动模式的反馈信号，并根据设定的逻辑自动切换所述智能规划单元到手动模式或自动模式；其中，在所述手动模式下，所述智能规划单元完全停止工作，输出的运行速度和转动角度均为零；

第二状态机，在自动模式下，所述智能规划单元根据所述第二状态机的输出切换到以下三个子工作模式之一：跟踪子模式，所述智能规划单元正常自动工作；暂停子模式，所述智能规划单元暂停自动工作，等待恢复为跟踪子模式；停车子模式，所述智能规划单元停止自动工作，并切换至手动模式。

下面进一步对技术方案进行说明：

在其中一个实施例中，所述控制模块还包括故障检测单元，所述故障检测单元用于检测智能车的硬件故障，所述第二状态机响应于所述故障检测单元的输出信号，切换所述智能规划单元的子工作模式。

在其中一个实施例中，所述第二状态机还响应于轨迹点信息，切换所述智能规划单元的子工作模式。

在其中一个实施例中，所述控制模块还包括第三状态机；在跟踪子模式下，所述智能规划单元根据第三状态机的输出选择以下跟踪控制算法之一：PID控制算法、纯跟踪控制算法、模型预测算法和滑模控制算法。

在其中一个实施例中，所述智能规划单元包括：

局部规划器，用于规划和输出智能车运行的轨迹点；

跟踪控制器，用于接收所述局部规划器输出的轨迹点，并计算和输出控制指令。

当所述智能规划单元处于自动模式时，所述第三状态机响应于所述局部规划器，用于切换所述跟踪控制器的跟踪控制算法。

在其中一个实施例中，当所述控制模块出现故障时，控制模块在退出前自动发送停车指令，并切换所述智能规划单元至手动模式。

本发明的技术方案还提出了一种智能车控制方法，应用于智能车控制系统的上层控制器，所述控制方法包括：

基于第一状态机，响应于所述智能车的自动模式的反馈信号，根据设定的逻辑切换到手动模式或自动模式；

在所述自动模式下，自动规划智能车运行的轨迹点，并根据轨迹点计算和输出控制指令；所述控制指令用于发送给下层控制器，以控制所述智能车的运动；

在所述手动模式下，完全停止自动规划，输出到下层控制器的指令为零。

在其中一个实施例中，所述控制方法还包括：

基于第二状态机，响应于所述故障检测单元的输出信号，根据设定的逻辑，切换所述智能规划单元到跟踪子工作模式、暂停子工作模式和停车子工作模式之一；

在所述跟踪子模式下，所述智能规划单元正常自动工作；

在所述暂停子模式下，所述智能规划单元暂停自动工作，等待恢复为跟踪子模式；

在所述停车子模式下，所述智能规划单元停止自动工作，并切换至手动模式。

在其中一个实施例中，所述控制方法还包括：

基于第二状态机，还响应于所述轨迹点的信息，根据设定的逻辑，切换所述智能规划单元到跟踪子工作模式或停车子工作模式之一。

在其中一个实施例中，所述控制方法还包括：

基于第三状态机，响应于所述局部规划器，根据设定的逻辑，切换所述跟踪控制器选择以下跟踪控制算法之一：PID控制算法、纯跟踪控制算法、模型预测算法和滑模控制算法。

本发明的技术方案还提出了一种智能车控制系统，包括：

上层控制器，用于规划轨迹和输出控制指令；

下层控制器，用于接收所述上层控制器输出的控制指令，根据所述控制指令，控制智能车底盘的电机和转向机；

所述上层控制器包括本发明所述的控制模块。

上述控制模块应用于智能车控制系统的上层控制器，所述控制模块包括智能规划单元、第一状态机和第二状态机，所述智能规划单元用于规划智能车运行的轨迹点，并根据轨迹点计算和输出控制指令；所述第一状态机响应于自动模式的反馈信号，根据设定的逻辑切换所述智能规划单元的工作模式；所述第二状态机根据设定的逻辑切换所述智能规划单元的子工作模式。相较于传统的智能车控制方法和控制系统，本发明通过在上层控制器中选择前述的控制模块，可以根据实时车辆情况和环境情况及时调整智能车的相应设定，实现了安全性和运行稳定性更好的智能车控制方法和控制系统。

附图说明

图1为一实施例中的控制模块的结构示意图；

图2为一实施例中包含第三状态机的控制模块的结构示意图；

图3为一实施例中智能车控制方法的简要流程图；

图4为一实施例中智能车控制方法的详细流程图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方法或位置关系，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。

图1是一实施例中的控制模块的结构示意图，所述控制模块用于智能车控制系统的上层控制器，如图1所示，所述控制模块包括智能规划单元100、第一状态机210和第二状态机220。

智能规划单元100，用于规划智能车运行的轨迹点，并根据轨迹点计算和输出控制指令；所述控制指令包括智能车的运行速度和转动角度，所述控制指令用于发送给下层控制器，以控制所述智能车的运动。

进一步地，所述智能规划单元100具有自动模式和手动模式共两个工作模式。自动模式，智能车的运行由智能规划单元100控制，智能规划单元100根据轨迹点的计算结果发送控制指令给下层控制器，所述控制指令包括智能车的运行速度和转动角度；手动模式，智能车启动时，智能规划单元100进入手动模式，智能车的运行由司机控制，智能规划单元100完全停止工作，输出的运行速度和转动角度均为零。

第一状态机210，响应于所述智能车的自动模式的反馈信号，并根据设定的逻辑自动切换所述智能规划单元100到手动模式或自动模式。进一步地，所述自动模式的反馈信号是通过司机的操作行为转换形成的电信号，所述电信号输入第一状态机210后，第一状态机210根据设定的逻辑自动切换所述智能规划单元100的工作模式。

在一示例中，所述司机的操作行为是按下按钮开关，所述按钮开关设置在司机的操作区域内，通过按下按钮开关推动开关内的传动机构，使开关内的触点连通或断开，从而产生电压或电流的电信号变化。在另一示例中，所述司机的操作行为是发出语音指令，智能车控制系统接收到语音指令后，通过语音识别功能识别语音指令中的关键字，当识别到设定的关键字时，向第一状态机210发出电信号。通过选择不同的反馈信号的产生方式，可以提高第一状态机210的控制灵活性，同时也能降低司机的操作难度，从而改善驾驶过程中的安全性。

在本实施例中，所述第一状态机210的控制逻辑是指如果接收到自动模式的反馈信号，将智能规划单元100切换到手动模式；如果未接收到自动模式的反馈信号，则智能规划单元100继续保持手动模式。通过所述第一状态机210，实现了手动模式和自动模式之间的便捷、安全切换。

第二状态机220，用于切换所述智能规划单元100的子工作模式。所述智能规划单元100具有跟踪子模式、暂停子模式和停车子模式共三种子工作模式，所述三种子工作模式均属于自动模式。跟踪子模式，所述智能规划单元100正常自动工作；暂停子模式，所述智能规划单元100暂停自动工作，等待恢复为跟踪子模式；停车子模式，所述智能规划单元100停止自动工作，并切换至手动模式。

在一实施例中，所述控制模块还包括故障检测单元300，所述故障检测单元300包括定位检测组件310、超声波检测组件320和防撞条检测组件330中的至少一种。

定位检测组件310，所述定位检测组件310用于检测定位功能的运行状况，智能车通过定位功能确定智能车的位置，判定当前位置和轨迹点之间的关系，从而计算和输出智能车后续的控制指令。所述定位功能包括WiFi定位和GPS(Global Positioning System，全球定位系统)定位两种定位方法，WiFi定位通过主动采集和智能车静默上传获取每个WiFi热点的位置信息，确定智能车与热点的距离，再通过算法推断出智能车的位置；GPS定位通过测量出已知位置的卫星到智能车之间的距离，然后综合多颗卫星的距离数据获得智能的具体位置。当WiFi定位和GPS定位中的至少一种定位方法正常运行时，智能车即能够正确判定当前位置，定位检测组件310判定定位功能正常；当智能车的WiFi定位和GPS定位均非正常运行时，智能车无法判定当前位置，定位检测组件310判定定位功能异常。

超声波检测组件320，所述超声波检测组件320用于检测超声波测距功能的运行情况，智能车通过超声波测距功能判断智能车与相邻的车辆或墙壁、路灯等物体间的距离。如果超声波测距功能异常，无法判定与相邻物体的距离，在运行过程中极易发生碰撞等意外事故，影响智能车运行的安全性。所以故障检测单元300需要检测超声波测距功能的运行情况，及时排除异常的运行情况。

防撞条检测组件330，所述防撞条检测组件330用于检测防撞条的机械结构是否发生变化，如果防撞条的机械结构发生变化，说明智能车发生碰撞事故，通过机械结构的变化大小可以判断交通事故的严重程度。在一示例中，所述防撞条检测组件330设置在所述防撞条的内部，所述防撞条检测组件330包括压力传感器，防撞条的机械结构发生变化时，防撞条施加压力在压力传感器上，压力传感器将实时压力转化为电信号，防撞条检测组件330记录连续时间内的压力情况，获得防撞条的形变大小，从而判定交通事故的严重程度。

进一步地，当所述故障检测单元300判定所有功能均正常运行时，第二状态机220切换所述智能规划单元100到跟踪子模式；当所述故障检测单元300判定存在功能异常时，第二状态机220判断所述异常能否自动修复，如果智能车能够自动修复该异常，切换所述智能规划单元100到暂停子模式，否则切换到停车子模式。通过第二状态机220的子工作模式切换，可以及时响应智能车和外界环境的异常状况，并根据不同的组件异常情况选择相应的子工作模式，有效地防止了智能车异常时的危险驾驶问题，明显提高了智能车运行过程中的安全系数。

在一示例中，当所述定位检测组件310判定定位功能发生异常时，第二状态机220切换所述智能规划单元100到暂停子模式，不输出控制信号，智能车维持原状态运行。因为该异常只会导致智能车当前运行的路径无法判定，而不会造成危险的交通事故，如果盲目停车反而会影响其他车辆的安全运行，当智能车运行至山洞、地下车库等区域时，WiFi信号和GPS信号丢失是常见且可恢复的情况，因此第二状态机220选择切换所述智能规划单元100到暂停子模式。

在一示例中，当所述超声波检测组件320判定超声波测距功能发生异常时，第二状态机220切换所述智能规划单元100到停车子模式。因为超声波测距功能异常极容易导致碰撞事故，导致智能车司机或其他人员发生危险。基于超声波检测组件320输出的信号切换到停车子模式后，智能车逐步减速并停止，避免急停导致追尾等事故。

在一示例中，当所述防撞条检测组件330判定防撞条的机械结构发生变化时，获取所述防撞条检测组件330的输出信号值，若所述信号值超出设定的阈值时，则判定智能车发生交通事故，切换所述智能规划单元100到停车子模式。基于防撞条检测组件330切换到停车子模式后，智能车立即刹车，避免造成更严重的伤害事故或破坏事故现场的情况。防撞条检测组件330具有优于人为控制的灵敏度和反应速度，因此可以将交通事故的危害进一步降低。

在一实施例中，所述第二状态机220还响应于所述轨迹点的信息，如果当前位置为轨迹点的最后一个点时，则切换所述智能规划单元100到停车子模式，智能车逐步减速并停止，防止智能车在非设定的区域内继续运行。

在一实施例中，如图2所示，所述智能规划单元100包括局部规划器110和跟踪控制器120，所述控制模块还包括第三状态机230。

局部规划器110，用于规划和输出智能车运行的轨迹点。所述局部规划器110获取智能车运行的起点和终点，所述起点通过智能车的定位功能自动获取，所述终点由司机在地图上手动选择或通过司机发出的语音指令自动识别。在一示例中，所述局部规划器110在规划轨迹点时，先从网络获取多条路径的实时运行情况，并选择耗时最短或长度最短的路径，对该路径进行轨迹点规划。通过选择最优路径，智能车可以缩短驾驶时间或驾驶距离，有效地节约智能车的资源，降低行驶成本。

跟踪控制器120，用于接收所述局部规划器110输出的轨迹点，并计算和输出控制指令。所述跟踪控制器120在计算控制指令时，具有PID(proportion integraldifferential，比例-积分-微分)控制算法、纯跟踪控制算法、模型预测算法和滑模控制算法等多种跟踪控制算法，通过不同算法会获得不同的运行速度和转动角度。

进一步地，所述纯跟踪控制算法控制算法最简单，计算速度快，但是对大曲率弯道路径的跟踪精度不足；所述PID控制算法对目标道路曲率及其变化率实时监测，使车辆跟踪面对不同曲率路径时可相应计算，跟踪精度高于纯跟踪控制算法；所述滑模控制算法可以有效消除系统的稳态误差，提高控制精度，可以有效提高智能车的鲁棒性和自适应性；所述模型预测算法可以根据系统的模型来预测其未来行为，同时能够解决输入输出的约束问题，通过与PID控制算法或滑模控制算法结合使用，形成预测PID控制算法或预测滑模控制算法，相比传统的PID控制算法和滑模控制算法，可以明显提升算法的收敛速度。

进一步地，所述跟踪控制算法可以根据使用需求和场景，设定恰当的算法参数，也可以对所述跟踪控制算法的类型进行扩展和补充，使所述跟踪控制算法具有更好的跟踪速度和跟踪精度。

第三状态机230，响应于所述局部规划器110，用于切换所述跟踪控制器120的跟踪控制算法。根据局部规划器110的轨迹点信息，所述第三状态机230根据路径特点选择相应的跟踪控制算法。进一步地，所述纯跟踪算法适用于跟踪精度要求低、直线路径或小曲率的弯道路径；所述PID控制算法适用于跟踪精度要求较高、大曲率、但曲率变化速度慢的弯道路径；所述滑模控制算法适用于跟踪精度要求高、曲率变化速度快的弯道路径；所述模型预测算法可以根据实际需求，与PID控制算法或滑模控制算法结合使用。

如图3所示为一实施例中的控制方法的简要流程图，包括：

S100：手动模式下：第一状态机响应信号并切换智能规划单元的工作模式；

S200：自动模式下：第二状态机响应信号并切换智能规划单元的子工作模式；

S300：跟踪子模式下：第三状态机响应信号并切换跟踪控制器的跟踪控制算法。

进一步地，参见图4，所述步骤S100还包括步骤S110：第一状态机响应到自动模式的反馈信号，根据所述步骤S110的结果，若未响应到自动模式的反馈信号，则智能规划单元保持手动模式(步骤S120)；若响应到自动模式的反馈信号，则智能规划单元切换到自动模式(步骤S121)。

进一步地，所述步骤S200还包括步骤S210第二状态机响应到当前位置为最后轨迹点，根据步骤S210的结果，若当前位置为最后轨迹点，则智能规划单元切换到停车子模式(步骤S230)，智能车停车；若当前位置不是最后轨迹点，则第二状态机响应是否有故障信号(步骤S220)。根据步骤S220的结果，若第二状态机未响应到故障信号，智能规划单元切换到跟踪子模式(步骤S232)；若响应到故障信号，进一步根据第二状态机中设定的逻辑判定所述故障能否自动修复(步骤S221)。根据步骤S221的结果，若故障无法自动修复，则智能规划单元切换到停车子模式(步骤S230)；若故障可以自动修复，则智能规划单元切换到暂停子模式(步骤S231)，等待故障自动修复后，将智能规划单元切换到停车子模式(步骤S230)。

进一步地，所述步骤S300还包括步骤S310第三状态机响应到局部规划器信号，所述第三状态机根据设定的逻辑和局部规划器发出的轨迹点信息，使跟踪控制器切换跟踪控制算法(步骤S320)，通过选择恰当的跟踪控制算法，实现最快的计算速度和跟踪精度。

进一步地，所述智能车每次完成从当前轨迹点至下一轨迹点的运行过程后，重复步骤S200和步骤S300，保证智能车可以根据实时车辆情况和环境情况及时调整相应的设定，从而改善智能车运行的安全性和稳定性。

在一实施例中，所述控制模块还具有自保护功能，当所述控制模块出现故障时，控制模块在退出前自动发送停车指令，并切换所述智能规划单元至手动模式。

本发明的技术方案还提出了一种智能车控制系统，包括：

上层控制器，用于规划轨迹和输出控制指令；

下层控制器，用于接收所述上层控制器输出的控制指令，根据所述控制指令，控制智能车底盘的电机和转向机；

通过在上层控制器中选择前述的控制模块，智能车可以根据实时车辆情况和环境情况及时调整相应的设定，实现了比现有安全性和运行稳定性的智能车控制系统。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (11)

1.一种控制模块，应用于智能车控制系统的上层控制器，其特征在于，所述控制模块包括：

智能规划单元，用于规划智能车运行的轨迹点，并根据轨迹点计算和输出控制指令；所述控制指令包括智能车的运行速度和转动角度，所述控制指令用于发送给下层控制器，以控制所述智能车的运动；

第一状态机，响应于所述智能车的自动模式的反馈信号，并根据设定的逻辑自动切换所述智能规划单元到手动模式或自动模式；其中，在所述手动模式下，所述智能规划单元完全停止工作，输出的运行速度和转动角度均为零；

第二状态机，在自动模式下，所述智能规划单元根据所述第二状态机的输出切换到以下三个子工作模式之一：跟踪子模式，所述智能规划单元正常自动工作；暂停子模式，所述智能规划单元暂停自动工作，等待恢复为跟踪子模式；停车子模式，所述智能规划单元停止自动工作，并切换至手动模式。

2.根据权利要求1所述的控制模块，其特征在于，所述控制模块还包括故障检测单元，所述故障检测单元用于检测智能车的硬件故障，所述第二状态机响应于所述故障检测单元的输出信号，切换所述智能规划单元的子工作模式。

3.根据权利要求2所述的控制模块，其特征在于，所述第二状态机还响应于轨迹点信息，切换所述智能规划单元的子工作模式。

4.根据权利要求1或2所述的控制模块，其特征在于，所述控制模块还包括第三状态机；在跟踪子模式下，所述智能规划单元根据第三状态机的输出选择以下跟踪控制算法之一：PID控制算法、纯跟踪控制算法、模型预测算法和滑模控制算法。

5.根据权利要求4所述的控制模块，其特征在于，所述智能规划单元包括：

局部规划器，用于规划和输出智能车运行的轨迹点；

跟踪控制器，用于接收所述局部规划器输出的轨迹点，并计算和输出控制指令；

当所述智能规划单元处于自动模式时，所述第三状态机响应于所述局部规划器，用于切换所述跟踪控制器的跟踪控制算法。

6.根据权利要求1所述的控制模块，其特征在于，当所述控制模块出现故障时，控制模块在退出前自动发送停车指令，并切换所述智能规划单元至手动模式。

7.一种智能车控制方法，应用于智能车控制系统的上层控制器，其特征在于，所述控制方法包括：

基于第一状态机，响应于所述智能车的自动模式的反馈信号，根据设定的逻辑切换到手动模式或自动模式；

在所述自动模式下，自动规划智能车运行的轨迹点，并根据轨迹点计算和输出控制指令；所述控制指令用于发送给下层控制器，以控制所述智能车的运动；

在所述手动模式下，完全停止自动规划，输出到下层控制器的指令为零。

8.根据权利要求7所述的智能车控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：

基于第二状态机，响应于所述故障检测单元的输出信号，根据设定的逻辑，切换所述智能规划单元到跟踪子工作模式、暂停子工作模式和停车子工作模式之一；

在所述跟踪子模式下，所述智能规划单元正常自动工作；

在所述暂停子模式下，所述智能规划单元暂停自动工作，等待恢复为跟踪子模式；

在所述停车子模式下，所述智能规划单元停止自动工作，并切换至手动模式。

9.根据权利要求8所述的智能车控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：

基于第二状态机，还响应于所述轨迹点的信息，根据设定的逻辑，切换所述智能规划单元到跟踪子工作模式或停车子工作模式之一。

10.根据权利要求9所述的智能车控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：

基于第三状态机，响应于所述局部规划器，根据设定的逻辑，切换所述跟踪控制器选择以下跟踪控制算法之一：PID控制算法、纯跟踪控制算法、模型预测算法和滑模控制算法。

11.一种智能车控制系统，包括：

上层控制器，用于规划轨迹和输出控制指令；

下层控制器，用于接收所述上层控制器输出的控制指令，根据所述控制指令，控制智能车底盘的电机和转向机；

其特征在于，所述上层控制器包括权利要求1-5任一项所述的控制模块。

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