CN111610782A - 用于车辆的纵向运动控制的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于车辆的纵向运动控制的方法和装置。包括纵向运动控制系统的主车辆的自主控制包括确定与主车辆的轨迹相关联的参数和与为主车辆确定的控制参考相关联的参数的状态。执行测距控制例程以基于多个参数的状态来确定与测距控制命令相关联的第一参数，并且执行速度控制例程以基于多个参数的状态来确定与速度控制命令相关联的第二参数。执行仲裁例程以评估测距控制命令和速度控制命令，并且控制主车辆的操作以实现期望的纵向状态，其中期望的纵向状态与测距控制命令和速度控制命令的最小值相关联。

Description

用于车辆的纵向运动控制的方法和装置
引言
纵向运动控制描述了用于主车辆的驾驶辅助控制系统，该系统基于在主车辆的轨迹中的感测物体来控制各种推进相关致动器。推进相关致动器可以包括生成牵引扭矩的推进系统和生成制动扭矩的制动系统。例如，在主车辆的轨迹中的感测物体可以包括在同一行驶车道上或诸如十字路口的预定位置的前方车辆。
技术领域
一种形式的纵向运动控制系统通过检测前方车辆的位置和速度并操作以调节主车辆的速度来操作，以达到并保持前方车辆和主车辆之间的期望距离，并且在一些情况下遵循期望的速度分布。在一个实施例中，可以通过包括传感器的感测系统来检测前方车辆，该传感器可以安装在主车辆的前部。感测系统可以包括RADAR、LIDAR、它们的组合或另一个系统。主车辆通过控制推进系统和/或制动系统来保持期望的距离。
背景技术
已知纵向运动控制系统的控制能力可能受到与前方车辆的位置和轨迹和/或行驶表面中的轮廓相关联的信号噪声的影响。已知纵向运动控制系统的控制能力可能受到信号粒度和分辨率的影响，这影响在预定位置实现停止状态的精度。
发明内容
本文描述了能够自主控制的主车辆，其包括例如纵向运动控制系统。一种用于自主控制主车辆的方法包括确定多个参数的状态，包括与主车辆的轨迹相关联的参数和与为主车辆确定的控制参考相关联的参数。执行测距控制例程（range control routine）以基于多个参数的状态来确定与用于控制主车辆的操作的测距控制命令相关联的第一参数，并且执行速度控制例程以基于多个参数的状态来确定与用于控制主车辆的操作的速度控制命令相关联的第二参数。执行仲裁例程以评估测距控制命令和速度控制命令，并且控制主车辆的操作以实现期望的纵向状态，其中期望的纵向状态与测距控制命令和速度控制命令的最小值相关联。
本公开的一个方面包括与为主车辆确定的控制参考相关联的参数是与地平线上的有限点相关联的参数。
本公开的另一方面包括与为主车辆确定的控制参考相关联的参数是与主车辆的期望停车点相关联的参数。
本公开的另一方面包括多个参数的状态进一步是确定与靠近主车辆的目标车辆的轨迹相关联的参数。
本公开的另一方面包括：执行速度控制例程以基于多个参数的状态确定用于控制主车辆的操作的速度控制命令；确定期望的速度分布；执行线性二次速度控制例程以基于期望的速度分布确定第一加速命令；确定期望停车点和到期望停车点的距离；执行第二速度控制例程，以基于到期望停车点的距离和期望速度分布来确定第二加速命令；以及当到期望停车点的距离大于阈值距离时，选择第一加速命令作为与速度控制命令相关联的第二参数。
本公开的另一方面包括：当到期望停车点的距离小于或等于阈值距离时，选择第二加速命令作为与速度控制命令相关联的第二参数。
本公开的另一方面包括：确定期望停车点的位置；以及执行第二速度控制例程以确定第二加速命令，其中第二加速命令被确定以在期望停车点实现零车辆速度。
本公开的另一方面包括：执行测距控制例程，以基于多个参数的状态来确定用于控制主车辆的操作的测距控制命令，包括确定到地平线上的有限点的测距、确定测距变化率以及执行比例微分控制例程以基于测距和测距变化率来确定测距控制命令。
本公开的另一方面包括比例微分控制例程是临界阻尼控制例程。
本公开的另一方面包括控制主车辆的操作以加速。
本公开的另一方面包括控制主车辆的操作以减速。
本公开的另一方面包括控制主车辆的操作以在预定位置实现停止状态。
本发明提供下列技术方案。
技术方案1. 一种用于自主控制主车辆的方法，包括：
确定多个参数的状态，包括与所述主车辆的轨迹相关联的参数和与为所述主车辆确定的控制参考相关联的参数；
执行测距控制例程，以基于所述多个参数的所述状态来确定与用于控制所述主车辆的操作的测距控制命令相关联的第一参数；
执行速度控制例程，以基于所述多个参数的所述状态确定与用于控制所述主车辆的操作的速度控制命令相关联的第二参数；
执行仲裁例程以评估所述测距控制命令和所述速度控制命令；和
控制所述主车辆的操作以实现期望的纵向状态，其中，所述期望的纵向状态与所述测距控制命令和所述速度控制命令的最小值相关联。
技术方案2. 根据技术方案1所述的方法，其中，与为所述主车辆确定的所述控制参考相关联的所述参数包括与地平线上的有限点相关联的参数。
技术方案3. 根据技术方案1所述的方法，其中，与为所述主车辆确定的所述控制参考相关联的所述参数包括与所述主车辆的期望停车点相关联的参数。
技术方案4. 根据技术方案1所述的方法，其中，确定所述多个参数的状态还包括确定与靠近所述主车辆的目标车辆的轨迹相关联的参数。
技术方案5. 根据技术方案1所述的方法，其中，执行速度控制例程以基于所述多个参数的所述状态来确定用于控制所述主车辆的操作的所述速度控制命令包括：
确定期望的速度分布；
执行线性二次速度控制例程，以基于所述期望的速度分布确定第一加速命令；
确定期望停车点；
确定到所述期望停车点的距离；
执行第二速度控制例程，以基于到所述期望停车点的所述距离和所述期望的速度分布来确定第二加速命令；和
当到所述期望停车点的所述距离大于阈值距离时，选择所述第一加速命令作为与所述速度控制命令相关联的所述第二参数。
技术方案6. 根据技术方案5所述的方法，还包括：当到所述期望停车点的所述距离小于或等于所述阈值距离时，选择所述第二加速命令作为与所述速度控制命令相关联的所述第二参数。
技术方案7. 根据技术方案5所述的方法，其中，确定到所述期望停车点的所述距离包括：确定所述期望停车点的地理位置，并且其中，执行所述第二速度控制例程以确定所述第二加速命令包括确定所述第二加速命令以在所述期望停车点实现零车辆速度。
技术方案8. 根据技术方案1所述的方法，其中，执行所述测距控制例程以基于所述多个参数的所述状态来确定用于控制所述主车辆的操作的所述测距控制命令包括：
确定到地平线上的有限点的测距；
确定测距变化率；和
执行比例微分控制例程，以基于所述测距和所述测距变化率确定所述测距控制命令。
技术方案9. 根据技术方案8所述的方法，其中，所述比例微分控制例程包括临界阻尼控制例程。
技术方案10. 根据技术方案1所述的方法，其中，控制所述主车辆的操作以实现所述期望的纵向状态包括控制所述主车辆的操作以加速。
技术方案11. 根据技术方案1所述的方法，其中，控制所述主车辆的操作以实现所述期望的纵向状态包括控制所述主车辆的操作以减速。
技术方案12. 根据技术方案1所述的方法，其中，控制所述主车辆的操作以实现所述期望的纵向状态包括控制所述主车辆的操作以在预定位置实现停止状态。
技术方案13. 一种用于控制主车辆的纵向运动的方法，包括：
确定多个参数的状态，包括与所述主车辆的轨迹相关联的参数和与为所述主车辆确定的控制参考相关联的参数；
执行测距控制例程，以基于所述多个参数的所述状态来确定与用于控制所述主车辆的操作的测距控制命令相关联的第一参数；
执行速度控制例程，以基于所述多个参数的所述状态确定与用于控制所述主车辆的操作的速度控制命令相关联的第二参数；
执行仲裁例程以评估所述测距控制命令和所述速度控制命令；和
控制所述主车辆的纵向运动以实现期望的纵向状态，其中，所述期望的纵向状态与所述测距控制命令和所述速度控制命令的最小值相关联。
技术方案14. 根据技术方案13所述的方法，其中，与为所述主车辆确定的所述控制参考相关联的所述参数包括与地平线上的有限点相关联的参数和与所述主车辆的期望停车点相关联的参数。
技术方案15. 根据技术方案13所述的方法，其中，确定所述多个参数的状态还包括确定与靠近所述主车辆的目标车辆的轨迹相关联的参数。
技术方案16. 根据技术方案13所述的方法，其中，执行速度控制例程以基于所述多个参数的所述状态来确定用于控制所述主车辆的操作的所述速度控制命令包括：
确定期望的速度分布；
执行线性二次速度控制例程，以基于所述期望的速度分布确定第一加速命令；
确定期望停车点；
确定到所述期望停车点的距离；
执行第二速度控制例程，以基于到所述期望停车点的所述距离和所述期望的速度分布来确定第二加速命令，
当到所述期望停车点的所述距离大于阈值距离时，选择所述第一加速命令作为与所述速度控制命令相关联的所述第二参数；和
当到所述期望停车点的所述距离小于或等于所述阈值距离时，选择所述第二加速命令作为与所述速度控制命令相关联的所述第二参数。
技术方案17. 根据技术方案16所述的方法，其中，确定到所述期望停车点的所述距离包括：确定期望停车点的位置，并且其中，执行所述第二速度控制例程以确定所述第二加速命令包括确定所述第二加速命令以在所述期望停车点实现零车辆速度。
技术方案18. 一种主车辆，包括：
推进系统、车轮制动系统、纵向运动控制系统、全球定位系统(GPS)传感器、导航系统、远程信息处理设备、空间监测系统和人机接口(HMI)系统；和
控制器，所述控制器与所述推进系统、所述车轮制动系统、所述纵向运动控制系统、所述全球定位系统(GPS)传感器、所述导航系统、所述远程信息处理设备、所述空间监测系统和所述人机接口(HMI)系统通信，所述控制器包括指令集，所述指令集可执行以：
确定多个参数的状态，包括与所述主车辆的轨迹相关联的参数和与为所述主车辆确定的控制参考相关联的参数，
执行测距控制例程，以基于所述多个参数的所述状态来确定与用于控制所述主车辆的操作的测距控制命令相关联的第一参数，
执行速度控制例程，以基于所述多个参数的所述状态确定与用于控制所述主车辆的操作的速度控制命令相关联的第二参数，
执行仲裁例程以评估所述测距控制命令和所述速度控制命令，和
控制所述推进系统、所述车轮制动系统和所述纵向运动控制系统的操作以实现期望的纵向状态，其中，所述期望的纵向状态与所述测距控制命令和所述速度控制命令的最小值相关联。
技术方案19. 根据技术方案18所述的主车辆，其中，与为所述主车辆确定的控制参考相关联的所述参数包括与地平线上的有限点相关联的参数、与所述主车辆的期望停车点相关联的参数、以及与靠近所述主车辆的目标车辆的轨迹相关联的参数。
技术方案20. 根据技术方案18所述的主车辆，其中，可执行以执行所述速度控制例程来基于所述多个参数的所述状态来确定用于控制所述主车辆的操作的所述速度控制命令的所述指令集包括可执行以进行下述的指令集：
确定期望的速度分布，
执行线性二次速度控制例程，以基于所述期望的速度分布确定第一加速命令，
确定期望停车点，
确定到所述期望停车点的距离，
执行第二速度控制例程，以基于到所述期望停车点的所述距离和所述期望的速度分布来确定第二加速命令，
当到所述期望停车点的所述距离大于阈值距离时，选择所述第一加速命令作为与所述速度控制命令相关联的所述第二参数，和
当到所述期望停车点的所述距离小于或等于所述阈值距离时，选择所述第二加速命令作为与所述速度控制命令相关联的所述第二参数。
当结合附图考虑时，本教导的上述特征和优点以及其他特征和优点从下面对如所附权利要求中限定的用于执行本教导的一些最佳模式和其他实施例的详细描述中变得显而易见。
附图说明
现在将参考附图通过示例的方式描述一个或多个实施例，其中：
图1示意性地示出了根据本公开的包括用于自主推进控制的配置的车辆的俯视图。
图2以框图形式示意性地示出了根据本公开的用于执行车辆自主控制的纵向运动控制例程。
图3以图形方式示出了根据本公开的与参考图1描述的主车辆的操作相关联的时域和距离域之间的关系。
图4示意性地示出了根据本公开的与用于控制车辆的纵向运动的速度控制例程和测距控制例程之间的仲裁和切换相关联的状态流程示意图。
图5示意性地示出了根据本公开的与车辆的纵向运动控制相关联的状态流程示意图。
应当理解，附图不一定是按比例绘制的，并且呈现了本文公开的本公开的各种优选特征的稍微简化的表示，包括例如特定的尺寸、取向、位置和形状。与这些特征相关联的细节将部分由特定的预期应用和使用环境决定。
具体实施方式
如本文所描述和示出的，所公开的实施例的部件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下详细描述并不旨在限制所要求保护的本公开的范围，而是仅仅代表其可能的实施例。此外，尽管为了提供对本文公开的实施例的透彻理解而在以下描述中阐述了许多具体细节，但是一些实施例可以在没有这些细节中的一些的情况下实施。此外，为了清楚起见，没有详细描述相关技术中理解的某些技术材料，以避免不必要地模糊本公开。
如本文所描述和示出的，所公开的实施例的部件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下详细描述并不旨在限制所要求保护的本公开的范围，而是仅仅代表其可能的实施例。此外，尽管为了提供对本文公开的实施例的透彻理解而在以下描述中阐述了许多具体细节，但是一些实施例可以在没有这些细节中的一些的情况下实施。此外，为了清楚起见，没有详细描述相关技术中理解的某些技术材料，以避免不必要地模糊本公开。
现在参考附图，其中图示内容的目的是为了说明某些示例性实施例，而不是为了限制这些实施例。图1示意性地示出了车辆10的实施例，该车辆10被配置有自主操作系统45，该自主操作系统45设置成提供一定水平的自主车辆操作。在一个实施例中，如本文所述，主车辆10包括推进系统20、车轮制动系统30、纵向运动控制系统40、全球定位系统(GPS)传感器50、导航系统55、远程信息处理设备60、空间监测系统65、人机接口(HMI)系统75以及一个或多个控制器15。在一个实施例中，如本文所述，纵向运动控制系统40可以由自适应巡航控制系统实现。推进系统20包括原动机，例如内燃发动机、电机、它们的组合或另一设备。在一个实施例中，原动机联接到能够传递扭矩和降低速度的固定齿轮或无级变速器。推进系统20还包括传动系，例如差速器、变速驱动桥或另一齿轮减速机构。推进系统20的元件的操作可以由一个或多个控制器来控制，该控制器监测来自一个或多个传感器的信号，并且生成到一个或多个致动器的命令，以便以响应于操作者对车辆加速和推进的请求的方式来控制操作。
车轮制动系统30包括能够向一个或多个车辆车轮12施加制动扭矩的设备，以及相关联的控制器，该控制器监测来自一个或多个传感器的信号，并生成到一个或多个致动器的命令，以便以响应于操作者对制动的请求的方式控制操作。
纵向运动控制系统40包括控制器，该控制器与车轮制动系统30、推进系统20和HMI系统75的控制器通信，并且还与空间监测系统65通信。纵向运动控制系统40执行控制例程，该控制例程确定来自HMI系统75的操作者将车辆速度保持在预定速度水平的请求，监测来自空间监测系统65的输入，并作为响应命令推进系统20和车轮制动系统30的操作。
术语控制器、控制模块、模块、控制、控制单元、处理器和类似术语是指专用集成电路(ASIC)、电子电路、中央处理单元(例如微处理器)和存储器和存储设备(只读、可编程只读、随机存取、硬盘驱动器等)形式的相关非暂时性存储器部件的各种组合。非暂时性存储器部件能够以一个或多个软件或固件程序或例程、组合逻辑电路、输入/输出电路和设备、信号调节和缓冲电路以及可由一个或多个处理器访问以提供所述功能的其他部件的形式存储机器可读指令。输入/输出电路和设备包括模拟/数字转换器和监测来自传感器的输入的相关设备，这些输入以预设的采样频率或响应于触发事件而被监测。软件、固件、程序、指令、控制例程、代码、算法和类似术语是指控制器可执行指令集，包括校准和查找表。每个控制器执行控制例程以提供期望的功能，包括监测来自感测设备和其他联网控制器的输入，以及执行控制和诊断例程以控制致动器的操作。例程可以以规则间隔周期性地执行，或者可以响应于触发事件的发生而执行。控制器之间的通信以及控制器、致动器和/或传感器之间的通信可以使用直接有线链路、网络通信总线链路、无线链路、串行外围接口总线或另一合适的通信链路来实现。通信包括以合适的形式交换数据信号，包括例如经由导电介质的电信号、经由空气的电磁信号、经由光波导的光信号等。数据信号可以包括代表来自传感器的输入的信号、代表致动器命令的信号以及控制器之间的通信信号。
术语“模型”是指基于处理器的或处理器可执行的代码以及模拟设备的物理存在或物理过程的相关联的校准。如本文所用，术语“动态的”和“动态地”描述实时执行的步骤或过程，并且其特征在于监测或以其他方式确定参数的状态，并且在例程执行期间或例程执行的迭代之间定期或周期性地更新参数的状态。术语“校准”和相关术语是指将与设备相关联的实际或标准测量值与感知或观察到的测量值或命令位置进行比较的结果或过程。本文所述的校准可以简化为可存储的参数表、参数阵列、多个可执行方程或另一种合适的形式。参数被定义为表示使用一个或多个传感器和/或物理模型可辨别的设备或其他元件的物理性质的可测量的量。参数可以具有离散值，例如“1”或“0”，或者可以在值上是无穷变量。
主车辆10包括远程信息处理设备60，远程信息处理设备60包括能够车外通信的无线远程信息处理通信系统，车外通信包括与具有无线和有线通信能力的通信网络系统通信。远程信息处理设备60能够进行车外通信，包括短程车辆对车辆(V2V)通信和/或车辆对基础设施(V2x)通信，车辆对基础设施通信可以包括与基础设施监视器(例如交通相机)的通信。替代地或附加地，远程信息处理设备60具有无线远程信息处理通信系统，该系统能够与手持设备(例如，蜂窝电话、卫星电话或另一电话设备)进行短程无线通信。在一个实施例中，手持设备装载有软件应用，该软件应用包括与远程信息处理设备60通信的无线协议，并且手持设备执行车外通信，包括经由包括卫星80、天线85和/或另一通信模式的通信网络90与非车载控制器95通信。替代地或附加地，远程信息处理设备60通过经由通信网络90与非车载控制器95通信来直接执行车外通信。
车辆空间监测系统65包括与多个感测设备通信的空间监测控制器。车辆空间监测系统65动态地监测主车辆10附近的区域，并生成观察到的或以其他方式辨别的远程对象的数字表示。空间监测系统65可以确定每个邻近远程物体的线性测距、相对速度和轨迹。作为非限制性描述，在一个实施例中，空间监测系统65的感测设备可以包括前角传感器、后角传感器、后侧传感器、侧传感器、前雷达传感器和相机，尽管本公开不限于此。前述传感器的放置允许空间监测系统65监测交通流，包括邻近车辆和主车辆10周围的其他物体。由空间监测系统65生成的数据可以被车道标志检测处理器(未示出)用来估计道路。车辆空间监测系统65的感测设备还可以包括物体定位感测设备，该物体定位感测设备包括距离传感器，例如FM-CW(调频连续波)雷达、脉冲和FSK(频移键控)雷达、LIDAR(光检测和测距)设备和超声波设备，该超声波设备依靠诸如多普勒效应测量的效应来定位前方物体。可能的物体定位设备包括电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)视频图像传感器，以及利用数字照相方法“观察”包括一个或多个物体车辆的前方和/或后方物体的其他相机/视频图像处理器。这种感测系统用于检测和定位汽车应用中的物体，并且可用于自主操作系统，包括例如自适应巡航控制、自主制动、自主转向和侧物体检测。
与空间监测系统65相关联的感测设备优选地定位在主车辆10内相对无障碍的位置。这些传感器中的每一个提供物体的实际位置或条件的估计，其中所述估计包括估计的位置和标准偏差。因此，物体位置和条件的传感器检测和测量通常被称为“估计”。这些传感器的特征可能是互补的，因为一些传感器在估计某些参数时可能比其他传感器更可靠。感测设备可以具有不同的操作范围和角度覆盖范围，能够在其操作范围内估计不同的参数。例如，雷达传感器可以估计目标的测距、测距变化率和方位角位置，但是在估计检测到的目标的范围时通常不是鲁棒的（robust）。具有视觉处理器的相机在估计物体的形状和方位角位置方面更鲁棒，但是在估计物体的测距和测距变化率方面可能效率较低。扫描型LIDAR传感器在估计测距和方位角位置方面高效且准确地执行，但是通常不能估计测距变化率，因此在新物体获取/识别方面可能不那么精确。超声波传感器能够估计测距，但估计或计算测距变化率和方位角位置的能力可能较低。上述传感器技术中每一种的性能都受到不同环境条件的影响。因此，尽管传感器的重叠覆盖区域为传感器数据融合创造了机会，但是一些感测设备在操作期间可能呈现参数变化。传感器数据融合包括组合感测数据或从来自观察共同视野的各种来源的感测数据衍生的数据，使得得到的信息比这些来源被单独使用时可能得到的信息更准确和精确。
HMI系统75提供人机交互，用于指导信息娱乐系统、GPS传感器50、车辆导航系统55、远程服务中心等的操作。HMI系统75监测操作者请求，并向操作者提供信息，包括车辆系统的状态、服务和维护信息。HMI系统75与多个车载操作者接口设备通信和/或控制其操作。HMI系统75还可以与监测与车辆操作者相关联的生物计量数据的一个或多个设备通信，生物计量数据包括例如眼睛注视位置、姿势和头部位置跟踪等。为了便于描述，HMI系统75被描绘为单一设备，但是在本文所述系统的实施例中，可以被配置为多个控制器和相关联的感测设备。车载操作者接口设备可以包括能够传输敦促操作者动作的消息的设备，并且可以包括电子视觉显示模块，例如液晶显示器(LCD)设备、平视显示器(HUD)、音频反馈设备、可佩戴设备和触觉座椅。
主车辆10可以包括自主操作系统45，其被设置成提供一定水平的自主车辆操作。自主操作系统45包括控制器和一个或多个子系统，这些子系统可以包括自主转向系统、纵向运动控制系统40、自主制动/防撞系统和/或配置成独立于或结合操作者请求来命令和控制自主车辆操作的其他系统。可以生成自主操作命令来控制自主转向系统、纵向运动控制系统40、自主制动/防撞系统和/或其他系统。车辆操作包括响应于期望的命令以推进模式之一操作，该期望的命令可以包括操作者请求和/或自主车辆请求。包括自主车辆操作在内的车辆操作包括加速、制动、转向、稳态运行、滑行和怠速。操作者请求可以基于到加速踏板、制动踏板、方向盘、变速器档位选择器和纵向运动控制系统40的操作者输入来生成。车辆加速包括踩油门事件，踩油门事件是增加车辆速度(即加速主车辆10)的请求。踩油门事件可以源自对加速的操作者请求或对加速的自主车辆请求。对加速的自主车辆请求的一个非限制性示例可以出现在用于纵向运动控制系统40的传感器指示车辆可以达到期望的车辆速度时，因为障碍物已经从行驶车道上移除，例如在慢速移动的车辆从限制进入的高速公路离开时可能出现。制动包括降低车辆速度的操作者请求。稳态运行包括这样的车辆操作：其中主车辆10当前以没有针对制动或加速的操作者请求的速度移动，车辆速度基于当前车辆速度和车辆动量、车辆风阻和滚动阻力以及传动系惯性阻力或拖曳扭矩来确定。滑行包括这样的车辆操作：其中车辆速度高于最小阈值速度，并且对加速踏板的操作者请求处于低于维持当前车辆速度所需的点。怠速包括其中车辆速度等于或接近零的车辆操作。自主操作系统45包括指令集，该指令集可执行以确定主车辆10的轨迹，并基于主车辆10的轨迹确定当前和/或即将到来的道路状况和交通状况。
图2、图3、图4和图5示意性地示出了与纵向运动控制例程200相关的细节，纵向运动控制例程200作为一个或多个控制例程动态地执行，以实现准确的车辆速度跟踪和停止距离，如参考图1描述的主车辆10的实施例中所执行的。这种布置提供了复合速度控制器210和测距控制器220的无缝集成。
如参考图2所示，纵向运动控制例程200包括监测多个输入参数205，这些参数作为输入被提供给复合速度控制器210和测距控制器220。复合速度控制器210生成速度控制命令215，测距控制器220生成测距控制命令225，这两个命令都作为输入被提供给仲裁例程230。仲裁例程230基于此生成纵向控制命令235，该命令作为输入被提供给纵向控制状态流例程240。纵向控制状态流例程240生成用于控制主车辆10的命令，包括车轴扭矩命令242、制动命令244和辅助相关命令246。在一个实施例中，车轴扭矩命令242可以在从零命令车轴扭矩(即滑行状态)到最大命令车轴扭矩的范围内。在一个实施例中，车轴扭矩命令242还可以包括负命令车轴扭矩，其中推进系统20在车辆车轮12上施加负车轴扭矩，以便使主车辆10减速。负车轴扭矩命令可以与降档事件相关，以在主车辆在下坡状态下操作时辅助车辆速度管理。负车轴扭矩命令可以与再生制动条件相关，其中车辆动量被转换成电能，用于对车载DC电源(未示出)充电。在一个实施例中，制动命令244可以在从零制动扭矩到最大可实现制动扭矩的范围内。
输入参数205可以包括车辆状态测量值，包括例如车辆纵向速度、横向速度、车轴扭矩、转向角、横摆率、俯仰角和变速器档位状态，从它们可以确定主车辆10的当前轨迹。车辆状态测量值可以经由一个或多个车载传感器直接测量，和/或经由其他车载传感器或车外传感器的测量来确定，和/或被建模。
输入参数205可以包括与目标车辆相关的信息，该目标车辆可以是靠近主车辆10的另一车辆，该另一车辆与主车辆10在相同的行驶车道上并且在主车辆10的前方。目标车辆信息可以包括目标车辆测距、目标车辆速度和加速度以及测距接近率(range closingrate)，从这些信息可以动态地确定目标车辆的轨迹。与目标车辆相关的信息可以经由一个或多个车载传感器直接测量，经由其他车载或车外传感器的测量值来确定，从目标车辆传送，或者被建模，或者可以作为它们的组合来确定。
输入参数205可以包括与主车辆10的控制参考相关的信息。控制参考可以是主车辆10的期望停车点、地平线上的有限点或目标车辆。与主车辆10的控制参考相关的信息可以包括期望的速度分布、停止距离以及沿着到期望停车点的预计车辆行驶路线的航路点的位置和数量。
测距控制器220包括用于基于输入参数205在时域中确定测距控制命令225的可执行控制例程。控制例程包括在时域中公式化的测距控制律，该测距控制律具有跟踪到地平线上的有限点的期望距离的控制目标，该有限点可以是目标车辆或另一参考点，例如预定位置。在一个实施例中，预定位置可以是停车标志、交通控制灯或与在主车辆10的轨迹中的十字路口相关联的人行横道。在一个实施例中，纵向动力学方程被配置为比例微分(PD)控制器，其基于测距和测距变化率来确定加速命令。在一个实施例中，测距控制率具有以下形式：
Figure 870434DEST_PATH_IMAGE001
其中：
Figure 131782DEST_PATH_IMAGE002
表示测距控制命令225，即加速命令，
d表示测距，
Figure 849202DEST_PATH_IMAGE003
表示测距变化率，
Figure 775570DEST_PATH_IMAGE004
表示比例增益，并且
Figure 282554DEST_PATH_IMAGE005
表示微分增益。
比例增益(
Figure 370596DEST_PATH_IMAGE006
)和微分增益(
Figure 44154DEST_PATH_IMAGE007
)是单个正权重(
Figure 774212DEST_PATH_IMAGE008
)的函数并且在一个实施例中确定如下：
Figure 708670DEST_PATH_IMAGE009
比例增益(
Figure 108559DEST_PATH_IMAGE010
)和微分增益(
Figure 128467DEST_PATH_IMAGE007
)的这种选择操作以建立临界阻尼系统，该系统操作以减少响应中的振荡并最小化收敛到期望测距的时间。权重(w)是车辆特定的，并且是可校准的。测距控制命令225(即，加速命令
Figure 272004DEST_PATH_IMAGE011
)可以用来如本文所述的控制车辆操作。
复合速度控制器210包括与第二速度控制器214并行执行的第一速度控制器212，并且还采用输入参数205。来自第一速度控制器212的输出211和来自第二速度控制器214的输出213作为输入被提供给速度控制仲裁例程216，速度控制仲裁例程216基于此生成速度控制命令215。
第一速度控制器212包括利用地平线上的有限点使用线性二次控制器来公式化纵向动力学方程，该地平线上的有限点在空间域中被定义，如下所示。加速度a(t)可以在方程3中定义如下：
Figure 326548DEST_PATH_IMAGE012
其中：
V表示车辆速度；并且
t表示时间。
纵向动力学方程可以在具有长度或距离作为独立变量的空间域中公式化。这可以通过将参考方程3显示的关系转换到空间域来实现，如方程4所示，如下所示：
Figure 162917DEST_PATH_IMAGE013
（u
其中：
s表示距离。
可变变量z可以相对于车辆速度V来定义，并且类似于动能项，如方程5所示：
Figure 935700DEST_PATH_IMAGE014
动力学方程在方程6中定义如下：
Figure 617349DEST_PATH_IMAGE015
并且
Figure 57557DEST_PATH_IMAGE016
其中
j表示在空间中离散的地平线上的有限点。
参考图3以图形方式示出了时域和空间域之间的关系，图3包括时域310、距离域320和多个离散点330(各自被定义为(x j , y j , V j ))、轨迹360、控制地平线340以及离散点330之间的距离
Figure 533669DEST_PATH_IMAGE017
350，其中在一个实施例中t为在0.1秒的数量级。
成本函数J在方程7中定义如下：
Figure 275973DEST_PATH_IMAGE018
其中：
Figure 823629DEST_PATH_IMAGE019
表示第一调谐权重，并且
Figure 259289DEST_PATH_IMAGE020
表示第二调谐权重。
可以引入控制目标，以最小化方程7的J(z, zj, uj)，其方式包括找到加速度项uj(即输出211)的最佳值。
第二速度控制器214也采用输入参数205和主车辆10的期望停车点来确定输出213，其中期望停车点是与目标车辆10的轨迹中的十字路口相关联的预定位置，目标车辆预计在该处达到零速度或停止状态。来自第二速度控制器214的输出213也是加速度项。
再次参考图2中所示的复合速度控制器210，来自第一速度控制器212的输出211和来自第二速度控制器214的输出213连同主车辆10的期望停车点一起作为输入被提供给速度控制仲裁例程216。速度控制仲裁例程216确定到停车点的距离，该距离是主车辆10的当前位置和主车辆10的期望停车点之间的计算距离。当到停车点的距离小于阈值距离时，速度控制仲裁例程216选择来自第二速度控制器214的输出213作为速度控制命令215。否则，当到停车点的距离大于阈值距离时，速度控制仲裁例程216选择来自第一速度控制器212的输出211作为速度控制命令215。
速度控制命令215和测距控制命令225被输入到仲裁例程230，仲裁例程230的操作可以参考图4来描述。
图4示意性地示出了与仲裁相关联的状态流程示意图，以确定参考图1描述的主车辆10的实施例的纵向运动的控制。示出了两种高级状态，包括待机状态410和纵向控制状态420。待机状态410和纵向控制状态420之间的相关转换的激活被如下控制。当在自主模式下的操作被去激活并且车辆操作者正在生成控制车辆操作的操作者请求时，待机状态410被激活。这可发生在例如纵向运动控制系统40被禁用时。操作者请求包括与控制车辆加速、制动和/或转向相关联的请求。在纵向/自主控制被禁用的情况下，操作者请求可以根据对加速踏板、制动踏板、方向盘和变速器档位选择器的操作者输入生成。当在自主模式下的操作被激活时，即，当车辆操作者已经通过启用纵向运动控制系统40的操作将车辆操作的控制交给自主控制器时，纵向控制状态420被激活。
纵向控制状态420包括两个子状态，包括速度控制状态430和测距控制状态440。速度控制状态430响应于速度控制命令215经由纵向运动控制系统40命令和控制主车辆10的操作，速度控制命令215可以如参考图2和方程3-7所述来确定。测距控制状态440响应于测距控制命令225经由纵向运动控制系统40命令和控制主车辆10的操作，测距控制命令225可以如参照参考图2和方程1和2描述的纵向运动控制例程200所描述的那样来确定。
在纵向控制状态420下操作时的仲裁包括选择速度控制命令215和测距控制命令225的最小值，并基于此转换到纵向运动控制系统40的控制操作。
当速度控制命令215小于测距控制命令225时，或者当到期望停车点的距离大于阈值时，主车辆10和纵向运动控制系统40被控制在速度控制状态430。再次参考图2，在这种情况下，速度控制命令215被选择作为纵向控制命令235。
当速度控制命令215大于测距控制命令225时，或者当到期望停车点的距离小于阈值时，主车辆10和纵向运动控制系统40被控制在测距控制状态440。再次参考图2，在这种情况下，测距控制命令225被选择作为纵向控制命令235。
再次参考图2，仲裁例程230基于此生成纵向控制命令235，该命令作为输入被提供给纵向控制状态流例程240。
纵向控制状态流例程240基于纵向控制命令235生成用于控制主车辆10的命令，包括确定车轴扭矩命令242、制动命令244和辅助相关命令246。辅助相关命令246可以包括对电动马达的控制命令，以作为发电机操作，从而提供再生制动形式的车辆制动。辅助相关命令246可以包括变速器档位选择命令。
图5示意性地示出了与响应于纵向控制命令235的主车辆10的实施例的纵向运动控制相关联的状态流程示意图，其中参考图1描述了主车辆10，并且采用参考图2描述的纵向运动控制例程200来确定纵向控制命令235。与主车辆10的实施例的纵向运动控制相关联的状态流程示意图的执行可以作为纵向运动控制例程200的一部分来实现。与纵向运动控制相关联的状态包括待机状态510，其类似于参考图4所示的待机状态410。当自主模式下的车辆操作被去激活时，即，当纵向运动控制系统40被禁用并且车辆操作者正在生成操作者请求以控制车辆操作时，待机状态510可以被激活。
当自主模式被激活时，即当纵向运动控制系统40被启用并且纵向运动控制例程200被激活时，与车辆操作相关的状态包括加速状态520和制动状态530。
当纵向运动控制例程200已经被激活并且纵向控制命令235大于零时，车辆操作从待机状态510转换到加速状态520。
当纵向运动控制例程200已经被激活并且纵向控制命令235小于或等于零时，车辆操作从待机状态510转换到制动/减速状态530。
除了主制动/减速状态530之外，当车辆在期望停车点附近时，还存在多个附加的制动/减速状态，包括制动至停止状态532、快速减速至停止状态538、保持停止状态534、驻车制动在停止状态536和移动远离停止状态540。除了主制动/减速状态530之外，当主车辆10在期望停车点附近时，还存在多个附加的制动/减速状态。
当主车辆10的轨迹指示主车辆10靠近并接近期望停车点时，可以激活附加的制动/减速状态。当车辆速度足够低以实现完全停止时，可以激活制动至停止状态532。当车辆速度还不足够低以实现完全停止时，可以激活快速减速至停止状态538。当车辆速度足够低以实现完全停止并且主车辆10靠近期望停车点时，快速减速至停止状态538可以转换到制动至停止状态532。
当主车辆10已经在制动至停止状态532中达到停止状态时，主车辆10可以在一段时间之后转换到保持停止状态534并转换到驻车制动在停止状态536。当条件允许时，例如响应于来自自主车辆控制器的加速命令或用于加速的操作者命令，主车辆10可以转换到移动远离停止状态540。
与主车辆10的实施例的纵向运动控制相关联的状态流程示意图的执行可以作为纵向运动控制例程200的一部分来实现，纵向运动控制例程200提供全面的状态转换，该状态转换使得能够启用准确的制动距离确定和控制，并在停车事件时保持时间，从而最小化或消除车辆在停车标志和交通灯处以爬行速度操作。此外，可以通过基于期望速度在正常和快速减速之间转换来实现期望的制动命令，并且还可以在各种情况下通过补偿由于致动器延迟导致的测量值和致动器动作之间的延时来操作以在停车标志处实现完全车辆停止条件。
例程200提供纵向运动控制例程来控制车辆操作，其方式包括跟踪期望的速度分布，在期望停车点(例如停车标志)停止，以及使用测距控制保持到目标车辆的安全距离，包括管理与其相关联的状态转换。
流程示意图中的流程图和框图示出了根据本公开的各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实施方式的架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个框可以表示模块、段或代码的部分，其包括用于实现指定逻辑功能的一个或多个可执行指令。还将注意到，框图和/或流程图图示中的每个框以及框图和/或流程图图示中的框的组合可以由执行指定功能或动作的基于专用硬件的系统或者专用硬件和计算机指令的组合来实现。这些计算机程序指令也可以存储在计算机可读介质中，该计算机可读介质可以指示控制器或其他可编程数据处理装置以特定方式操作，使得存储在计算机可读介质中的指令产生包括实现流程图和/或框图的一个或多个框中指定的功能/动作的指令的制品。
详细描述和附图或图是对本教导的支持和描述，但是本教导的范围仅由权利要求限定。虽然已经详细描述了用于实施本教导的一些最佳模式和其他实施例，但是存在用于实施所附权利要求中限定的本教导的各种替代设计和实施例。

Claims (10)

1.一种用于自主控制主车辆的方法，包括：
确定多个参数的状态，包括与所述主车辆的轨迹相关联的参数和与为所述主车辆确定的控制参考相关联的参数；
执行测距控制例程，以基于所述多个参数的所述状态来确定与用于控制所述主车辆的操作的测距控制命令相关联的第一参数；
执行速度控制例程，以基于所述多个参数的所述状态确定与用于控制所述主车辆的操作的速度控制命令相关联的第二参数；
执行仲裁例程以评估所述测距控制命令和所述速度控制命令；和
控制所述主车辆的操作以实现期望的纵向状态，其中，所述期望的纵向状态与所述测距控制命令和所述速度控制命令的最小值相关联。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，与为所述主车辆确定的所述控制参考相关联的所述参数包括与地平线上的有限点相关联的参数。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，与为所述主车辆确定的所述控制参考相关联的所述参数包括与所述主车辆的期望停车点相关联的参数。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述多个参数的状态还包括确定与靠近所述主车辆的目标车辆的轨迹相关联的参数。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，执行速度控制例程以基于所述多个参数的所述状态来确定用于控制所述主车辆的操作的所述速度控制命令包括：
确定期望的速度分布；
执行线性二次速度控制例程，以基于所述期望的速度分布确定第一加速命令；
确定期望停车点；
确定到所述期望停车点的距离；
执行第二速度控制例程，以基于到所述期望停车点的所述距离和所述期望的速度分布来确定第二加速命令；和
当到所述期望停车点的所述距离大于阈值距离时，选择所述第一加速命令作为与所述速度控制命令相关联的所述第二参数。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括：当到所述期望停车点的所述距离小于或等于所述阈值距离时，选择所述第二加速命令作为与所述速度控制命令相关联的所述第二参数。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，确定到所述期望停车点的所述距离包括：确定所述期望停车点的地理位置，并且其中，执行所述第二速度控制例程以确定所述第二加速命令包括确定所述第二加速命令以在所述期望停车点实现零车辆速度。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，执行所述测距控制例程以基于所述多个参数的所述状态来确定用于控制所述主车辆的操作的所述测距控制命令包括：
确定到地平线上的有限点的测距；
确定测距变化率；和
执行比例微分控制例程，以基于所述测距和所述测距变化率确定所述测距控制命令。
9.一种用于控制主车辆的纵向运动的方法，包括：
确定多个参数的状态，包括与所述主车辆的轨迹相关联的参数和与为所述主车辆确定的控制参考相关联的参数；
执行测距控制例程，以基于所述多个参数的所述状态来确定与用于控制所述主车辆的操作的测距控制命令相关联的第一参数；
执行速度控制例程，以基于所述多个参数的所述状态确定与用于控制所述主车辆的操作的速度控制命令相关联的第二参数；
执行仲裁例程以评估所述测距控制命令和所述速度控制命令；和
控制所述主车辆的纵向运动以实现期望的纵向状态，其中，所述期望的纵向状态与所述测距控制命令和所述速度控制命令的最小值相关联。
10.一种主车辆，包括：
推进系统、车轮制动系统、纵向运动控制系统、全球定位系统(GPS)传感器、导航系统、远程信息处理设备、空间监测系统和人机接口(HMI)系统；和
控制器，所述控制器与所述推进系统、所述车轮制动系统、所述纵向运动控制系统、所述全球定位系统(GPS)传感器、所述导航系统、所述远程信息处理设备、所述空间监测系统和所述人机接口(HMI)系统通信，所述控制器包括指令集，所述指令集可执行以：
确定多个参数的状态，包括与所述主车辆的轨迹相关联的参数和与为所述主车辆确定的控制参考相关联的参数，
执行测距控制例程，以基于所述多个参数的所述状态来确定与用于控制所述主车辆的操作的测距控制命令相关联的第一参数，
执行速度控制例程，以基于所述多个参数的所述状态确定与用于控制所述主车辆的操作的速度控制命令相关联的第二参数，
执行仲裁例程以评估所述测距控制命令和所述速度控制命令，和
控制所述推进系统、所述车轮制动系统和所述纵向运动控制系统的操作以实现期望的纵向状态，其中，所述期望的纵向状态与所述测距控制命令和所述速度控制命令的最小值相关联。
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