CN113104037A - 一种车辆方向盘转向角度确定方法及系统 - Google Patents

Abstract

为了解决纯跟踪法在弯道跟随和U型弯跟随时方向盘转角不足以及高速行驶时方向盘来回抖动的问题，本发明提出了一种车辆方向盘转向角度确定方法及系统。本发明车辆方向盘转向角度确定方法包括：获取车辆的规划路径，规划路径包括多个规划路径点；获取车辆的航向角误差、车辆的目标纵向速度、车辆的前视距离、车辆的轴距和车辆跟随规划路径点转向的第一曲率；根据航向角误差、目标纵向速度和前视距离，确定车辆的反馈转向曲率补偿；根据第一曲率、反馈转向曲率补偿和轴距，确定车辆的反馈转向角度；获取车辆的实际纵向速度；根据规划路径、实际纵向速度和轴距确定车辆的前馈转向角度；根据反馈转向角度和前馈转向角度确定车辆的方向盘转向角度。

Description

一种车辆方向盘转向角度确定方法及系统

技术领域

本发明涉及无人车控制技术领域，尤其涉及一种车辆方向盘转向角度确定方法及系统。

背景技术

控制是驱使车辆前行的策略。对于无人驾驶汽车来说，最基本的输入是转向、加速和制动。控制器接收的是规划模块产生的一系列路径点，控制器的任务是使用控制输入让车辆通过这些路径点。

控制器模块有两个输入信号：规划模块提供的目标轨迹与定位模块提供的车辆状态。技术上使用这两个输入来确定目标轨迹和实际行进轨迹之间的偏差。

控制器的输出是控制输入(转向和加速度)的值。当偏离目标轨迹时，需要采取行动来纠正这种偏差。对于普通汽车，使用方向盘控制行驶方向(即是转向)、使用油门加速、使用刹车减速(即是制动)。这也是无人驾驶汽车所做的。当通过控制算法确定出方向盘转向角度和纵向加速度大小并将其输入车辆线控系统，汽车实际上已经开始无人驾驶了。无人驾驶系统的路径规划模块会提供给无人驾驶控制层一系列需要跟随的规划路径点(waypoints)，这些轨迹点包含空间位置信息(position)，姿态信息(orientation)和时间信息。为了追踪轨迹，目前主流的方法分为基于几何追踪的控制算法和基于模型预测的控制算法。其中最广泛使用的基于几何追踪的方法为纯跟踪(Pure Pursuit)法。纯跟踪算法具有对外界干扰的鲁棒性较好，对输入路径无特殊要求的优点。纯跟踪算法最早是1994年卡耐基梅隆大学(CMU)机器人实验室提出的移动机器人跟随目标轨迹的算法，具体可参考论文“A Feedforward Control Approach to the Local Navigation Problem forAutonomous Vehicles”。

纯跟踪算法基于自行车模型，自行车模型将四轮车辆简化成两轮的模型，并且假定车辆只在平面上行驶，采用自行车模型的一大好处在于它简化了前轮转向角和后轴将遵循的曲率之间的几何关系，其关系如下：

其中δ表示前轮的转角，L为轴距，r则为在给定转向角下后轴遵循的圆的半径。

结合图2所示，反馈部分从自行车模型出发，以车后轴中心点为切点，车辆纵向车身为切线，使得车辆可以沿着一条经过规划路径点(Waypoint)的圆弧前行。根据需求在规划路径点中选取目标路径点。下述一系列公式描述了车辆运动跟踪路径点的几何关系，其中XY坐标系为车身坐标系，在搜索圆外搜索路径点，点(x,y)为下一个需要跟踪的目标点，y的数值即为当前车辆跟随目标点的横向误差，l_d为前视距离参数，r为连接当前车辆后轮中点的和目标路径点(x,y)的圆的半径。

y+d＝r (2)

x²+d²＝r² (4)

x²+(r-y)²＝r² (5)

x²+r²-2ry+y²＝r² (6)

纯跟踪选取规划路径点的方法中，目标路径点为搜索圆外第一个规划路径点(规划路径点的集合由规划模块实时给出)，可参考论文“A Feedforward Control Approachto the Local Navigation Problem for Autonomous Vehicles”。此外，可参考论文“PurePursuit Revisited:Field Testing of Autonomous Vehicles in UrbanAreas”，对传统纯跟踪算法进行改进，搜索圆半径是当前车辆速度的线性函数，因为目标路径点不是刚好在搜索圆形上，所以可以选取搜索圆外第一点和之前一点进行线性插值，使得插值点刚好位于搜索圆上。

在实车测试的过程中，可以发现，采用传统的纯跟踪算法,无人车在转弯时实际轨迹总是在参考轨迹弯道外，尤其是在跟随U型弯时，无人车可能会因为转向不足无法成功掉头。此外，车辆在直线道路上行驶时，尤其当速度较高时(大于50km/h时)，方向盘转角有轻微来回抖动现象。

因此，有必要提供一种方案，解决传统纯跟踪法在弯道跟随和U型弯跟随时方向盘转角不足以及高速行驶时方向盘来回抖动的问题，提高无人车控制跟随轨迹的精度。

发明内容

为了解决传统纯跟踪法在弯道跟随和U型弯跟随时方向盘转角不足以及高速行驶时方向盘来回抖动的问题，提高无人车控制跟随轨迹的精度，本发明提出了一种车辆方向盘转向角度确定方法及系统，本发明具体是以如下技术方案实现的。

本发明车辆方向盘转向角度确定方法包括：

获取车辆的规划路径，所述规划路径包括多个规划路径点；

获取所述车辆的航向角误差、所述车辆的目标纵向速度、所述车辆的前视距离、所述车辆的轴距和所述车辆跟随规划路径点转向的第一曲率；

根据所述航向角误差、所述目标纵向速度和所述前视距离，确定所述车辆的反馈转向曲率补偿；

根据所述第一曲率、所述反馈转向曲率补偿和所述轴距，确定所述车辆的反馈转向角度；

获取所述车辆的实际纵向速度；

根据所述规划路径、所述实际纵向速度和所述轴距确定所述车辆的前馈转向角度；

根据所述反馈转向角度和所述前馈转向角度确定所述车辆的方向盘转向角度。

本发明车辆方向盘转向角度确定方法的进一步改进在于，根据反馈比率、所述反馈转向角度、前馈比率和所述前馈转向角度确定所述方向盘转向角度。

本发明车辆方向盘转向角度确定方法的进一步改进在于，根据纯跟踪模型确定所述第一曲率。

本发明车辆方向盘转向角度确定方法的进一步改进在于，所述根据所述航向角误差、所述目标纵向速度和所述前视距离，确定所述车辆的反馈转向曲率补偿包括：

根据所述航向角度误差和所述前视距离，确定所述车辆的反馈航向角度；

根据所述目标纵向速度确定所述目标纵向速度的等效纵向速度；

根据所述反馈航向角度和所述等效纵向速度确定所述反馈转向曲率补偿。

本发明车辆方向盘转向角度确定方法的进一步改进在于，所述根据所述第一曲率、所述反馈转向曲率补偿和所述轴距，确定所述车辆的反馈转向角度包括：

根据所述第一曲率和所述反馈转向曲率补偿，确定第二曲率；

根据所述轴距和所述第二曲率确定所述车辆的反馈转向角度。

本发明车辆方向盘转向角度确定方法的进一步改进在于，所述根据所述规划路径、所述实际纵向速度和所述轴距确定所述车辆的前馈转向角度包括：

根据所述实际纵向速度从所述规划路径中选取三个参考点；

根据三个所述参考点的坐标，确定由三个所述参考点形成的三角形的外接圆的半径；

根据所述三角形的外接圆的半径，确定前馈曲率；

根据所述前馈曲率和所述轴距，确定所述前馈转向角度。

本发明车辆方向盘转向角度确定方法的更进一步改进在于，所述根据所述实际纵向速度从所述规划路径中选取三个参考点包括：

根据所述实际纵向速度确定参数n的值；

根据所述参数n，选取三个所述参考点，其中，三个所述参考点包括第一参考点A、第二参考点B和第三参考点C，所述第二参考点B为所述第一参考点A之后的第n个点，所述第三参考点C为所述第二参考点B之后的第n个点，n为整数且n≥1。

本发明车辆方向盘转向角度确定方法的更进一步改进在于，根据实际纵向速度的预设最大阈值、实际纵向速度的预设最小阈值、参数n的预设最大值和参数n的预设最小值确定所述参数n的值。

本发明车辆方向盘转向角度确定方法的更进一步改进在于，若所述前馈曲率小于前馈曲率的预设阈值，则所述前馈转向角度等于0。

此外，本发明还提供一种车辆方向盘转向角度确定系统，包括：

信息获取单元，用于获取车辆的航向角误差、所述车辆的目标纵向速度、所述车辆的前视距离、所述车辆的轴距、所述车辆的实际纵向速度、具有多个规划路径点的所述车辆的规划路径以及所述车辆跟随规划路径点转向的第一曲率；

第一确定单元，用于根据所述航向角误差、所述目标纵向速度和所述前视距离，确定所述车辆的反馈转向曲率补偿；

第二确定单元，用于根据所述第一曲率、所述反馈转向曲率补偿和所述轴距，确定所述车辆的反馈转向角度；

第三确定单元，用于根据所述规划路径、所述实际纵向速度和所述轴距确定所述车辆的前馈转向角度；

第四确定单元，用于根据所述反馈转向角度和所述前馈转向角度确定所述车辆的方向盘转向角度。

采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

(1)增加航向角误差反馈相当于给传统纯跟踪算法增加了阻尼项，从而避免因单独横向误差比例控制导致的控制信号不收敛和来回抖动现象。本发明增加航向角度误差的反馈，车辆跟随轨迹收敛更加平稳，抖动小。尤其是直线路径跟随性能会得到明显改善。

(2)通过前馈控制项，将路径本身的曲率变化考虑进控制算法，还根据当前车辆纵向速度设计自适应的前馈算法，根据车辆速度实时调节用于计算路径曲率的路径点，从而实时前馈方向盘转角大小，从而提高弯道路径跟随的精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的纯跟踪模型的原理示意图。

图2为本发明实施例1提供的车辆方向盘转向角度确定方法的流程图；

图3为本发明实施例1中三个参考点形成的三角形及三角形外接圆的部分弧线示意图；

图4为本发明实施例3提供的车辆方向盘转向角度确定系统的结构框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了解决传统纯跟踪法在弯道跟随和U型弯跟随时方向盘转角不足以及高速行驶时方向盘来回抖动的问题，提高无人车控制跟随轨迹的精度，本发明提出了一种车辆方向盘转向角度确定方法及系统。

实施例1：

结合图2和图3所示，本发明实施例1提供了一种车辆方向盘转向角度确定方法，包括：

步骤S101：获取车辆的规划路径，规划路径包括多个规划路径点；

步骤S102：获取车辆的航向角误差e_ψ、车辆的目标纵向速度v_x,des、车辆的前视距离l_d、车辆的轴距L和车辆跟随规划路径点转向的第一曲率k′_fb；

步骤S103：根据航向角误差e_ψ、目标纵向速度v_x,des和前视距离l_d，确定车辆的反馈转向曲率补偿k_bc；

步骤S104：根据第一曲率k′_fb、反馈转向曲率补偿k_bc和轴距L，确定车辆的反馈转向角度δ_fb；

步骤S105：获取车辆的实际纵向速度v_x；

步骤S106：根据规划路径、实际纵向速度v_x和轴距L确定车辆的前馈转向角度δ_ff；

步骤S107：根据反馈转向角度δ_fb和前馈转向角度δ_ff确定车辆的方向盘转向角度δ。

本实施例1增加基于航向角误差e_ψ的反馈控制，还增加自适应前馈控制，最终获取方向盘转向角度，由此避免控制信号不收敛和方向盘转角来回抖动的现象，提高无人车控制跟随轨迹的精度。

本实施例1中，步骤S101之前，还包括：建立以车辆为坐标原点的坐标系；根据坐标系实时规划车辆的规划路径。规划路径是指由车辆当前位置至终点的实时规划路径。其中，车辆配置的路径规划模块或定位导航模块可以利用GPS技术实现车辆定位，利用已存储的地图信号、路况信息、起点、终点和当前车辆位置等进行路径规划。还可以通过路径规划模块或定位导航模块获取规划路径点的具体坐标。

步骤S101中，可以从路径规划模块或定位导航模块中获取规划路径信息和车辆状态信息。规划路径点均取自规划路径。

步骤S102中，航向角误差e_ψ是指，车辆当前航向角度与车辆的参考航向角度之间的差值。本实施例1中，可以从路径规划模块或定位导航模块获取车辆的当前航向角度ψ；可以根据实时的规划路径点确定参考航向角度ψ_des。目标纵向速度v_x,des是指，根据纵向控制器发出的纵向速度控制信号确定得到的纵向速度，也就是期望达到的纵向速度。可以根据车辆的实际车速确定前视距离l_d。此外，步骤S102中，还获取车辆的轴距L，轴距L是指，汽车前轴中心到后轴中心的距离，可以根据车辆类型提前预设轴距L。

步骤S103和步骤S104中，根据航向角误差e_ψ、目标纵向速度v_x,des、车辆的前视距离l_d和轴距L，确定车辆的反馈转向曲率补偿k_bc；再将第一曲率k′_fb和反馈转向曲率补偿k_bc结合，确定车辆的反馈转向角度δ_fb，可以看出，本实施例1中，在基于横向误差确定出的转向角基础上增加了基于航向角误差的反馈转向曲率补偿，实现横向误差、航向角误差双反馈确定反馈转向角度δ_fb。增加航向角度误差的反馈，使得车辆跟随轨迹收敛更加平稳，抖动小，尤其是直线路径跟随性能会得到明显改善。

步骤S105中，车辆的实际纵向速度v_x是指，车辆相对于地面的速度。

步骤S106中，根据规划路径和实际纵向速度，本实施例1可以实时确定前馈转向角度δ_ff。根据车辆当前的实际纵向速度设计自适应的前馈算法，根据车辆实际纵向速度实时调节用于确定路径曲率的路径点，从而实时前馈方向盘转角大小，使得前馈控制中将规划路径本身的曲率变化考虑进控制算法,从而提高弯道路径跟随的精度。

步骤S107中，根据反馈转向角度δ_fb和前馈转向角度δ_ff确定车辆的方向盘转向角度δ，根据方向盘转向角度δ进行轨迹跟踪控制，避免方向盘来回抖动的现象，提高弯道路径跟随的精度。

步骤S107之后，将方向盘转向角度δ传输至车辆的控制器，控制器根据方向盘转向角度δ进行车辆轨迹跟踪控制。可以通过车辆底层总线系统传输方向盘转向角度信号。

进一步地，根据反馈比率b、反馈转向角度δ_fb、前馈比率a和前馈转向角度确定δ_ff方向盘转向角度δ。具体地，方向盘转向角度δ＝aδ_fb+bδ_ff，其中，a为前馈比率，b为反馈比率。本实施例1中，方向盘转向角度δ由前馈部分的前馈转向角度δ_ff和反馈部分的反馈转向角度δ_fb按照一定比例构成，其中，前馈比率a和反馈比率b为可以调整的参数，本实施例1中，选取前馈比率a为0.1，选取反馈比率b为0.9。

进一步地，根据纯跟踪模型确定第一曲率k′_fb。步骤S102中，使用传统纯跟踪算法确定车辆跟随规划路径点转向的曲率。可以在步骤S101中获取传统纯跟踪算法所需要的信息。步骤S102中，根据纯跟踪模型，从规划路径点中选取一目标路径点，并计算车辆跟随该目标路径点转向的曲率，即第一曲率k′_fb；也可以对传统纯跟踪算法进行改进，选取搜索圆外第一点和之前一点进行线性插值，使得插值点刚好位于搜索圆上，将插值点作为目标路径点，计算车辆跟随该插值点转向的曲率。

本实施例1在传统纯跟踪(PP,Pure Pursuit)模型算法的基础上，增加基于航向角误差e_ψ的反馈控制，还增加自适应前馈控制，最终获取方向盘转向角度，由此避免控制信号不收敛和方向盘转角来回抖动的现象，提高无人车控制跟随轨迹的精度。其中，纯跟踪算法最早是1994年卡耐基梅隆大学(CMU)机器人实验室提出的移动机器人跟随目标轨迹的算法。本实施例1利用传统纯跟踪模型确定第一曲率k′_fb。

进一步地，步骤S102中，获取航向角度误差e_ψ的步骤包括：从规划路径中选取第一路径点和第二路径点；根据第一路径点的坐标和第二路径点的坐标，确定车辆的参考航向角度ψ_des；获取车辆的当前航向角度ψ；根据参考航向角度ψ_des和当前航向角度ψ确定航向角度误差e_ψ。具体地，第一路径点的坐标为(x₁,y₁)，第二路径点的坐标为(x₂,y₂)；本实施例1中，可以选取实时规划的规划路径点中距离车辆最近的点作为第一路径点，选取第二近的点(最近点之后的第一个点)最为第二路径点。其中，根据第一路径点和第二路径点的坐标确定参考航向角度ψ_des＝atan2(y₂-y₁,x₂-x₁)。当前航向角度ψ可以由GPS模块提供。航向角度误差e_ψ＝ψ-ψ_des。

进一步地，步骤S103包括：

根据航向角度误差e_ψ和前视距离l_d，确定车辆的反馈航向角度ψ_fb；

根据目标纵向速度v_x,des确定目标纵向速度的等效纵向速度v_x,fb；

根据反馈航向角度ψ_fb和等效纵向速度v_x,fb确定车辆的反馈转向曲率补偿k_bc。

具体地，反馈航向角度

G_yaw,fb为航向角度反馈系数；反馈转向曲率补偿

本实施例1中，可以将航向角度反馈系数G_yaw,fb设为0.004。

更进一步地，根据目标纵向速度v_x,des确定目标纵向速度的等效纵向速度v_x,fb的步骤中：

若|v_x,des|≤v_x,min，并且v_x,des＞0，则v_x,fb＝v_x,min；

若|v_x,des|≤v_x,min，并且v_x,des＜0，则v_x,fb＝-v_x,min；

若|v_x,des|＞v_x,min，并且v_x,des＞0，则v_x,fb＝v_x,des；

若|v_x,des|＞v_x,min，并且v_x,des＜0，则v_x,fb＝-v_x,des；

其中，|v_x,des|为目标纵向速度的绝对值，v_x,min为目标纵向速度的预设参考阈值。

本发明中，将目标纵向速度v_x,des和目标纵向速度的预设参考阈值v_x,min进行比较，根据比较结果和车辆状态确定等效纵向速度v_x,fb；目标纵向速度的预设参考阈值v_x,min为正数，本实施例1中可以将目标纵向速度的预设参考阈值v_x,min设置为1.0m/s。目标纵向速度v_x,des＞0，表示车辆加速；目标纵向速度v_x,des＜0，表示车辆刹车。

进一步地，步骤S104包括：根据第一曲率k′_fb和反馈转向曲率补偿k_bc，确定第二曲率k_fb；根据轴距L和第二曲率k_fb确定车辆的反馈转向角度δ_fb。

具体地，第二曲率k_fb＝k′_fb+k_bc；反馈转向角度δ_fb，其中，δ_fb＝tan^-1 Lk_fb。

从k_fb＝k′_fb+k_bc的公式中可以看出，本实施例在基于横向误差计算出的转向角基础上增加了一项基于航向角误差的反馈转向曲率补偿。

进一步地，步骤S106包括：

根据实际纵向速度v_x从规划路径中选取三个参考点；

根据三个参考点的坐标，确定由三个参考点形成的三角形的外接圆的半径R_ff；

根据三角形的外接圆的半径R_ff，确定前馈曲率k_ff；

根据前馈曲率k_ff和轴距L，确定前馈转向角度δ_ff。

更进一步地，前馈曲率

前馈转向角度δ_ff＝tan^-1 Lk_ff；其中，若k_ff＜k_ff,min，则δ_ff＝0，k_ff,min为前馈曲率的预设阈值。

当前馈曲率k_ff小于规定阈值k_ff,min时，直接将前馈角度置为0，可以解决前馈项造成的车辆在进入弯道时刻路径跟随误差增大的情况以及在直线行驶时前馈项过于敏感造成的跟随不稳定的问题。

更进一步地，根据实际纵向速度从规划路径中选取三个参考点的步骤包括：根据实际纵向速度v_x确定参数n的值；根据参数n，选取三个参考点，其中，三个参考点包括第一参考点A、第二参考点B和第三参考点C，第二参考点B为第一参考点A之后的第n个点，第三参考点C为第二参考点B之后的第n个点，n为整数且n≥1。

较佳地，第一参考点A为距离当前车辆最近的规划路径点，第二参考点B为第一参考点A后n个点，第三参考点为第二参考点后n个点，n为可以调节的参数；也就是说在现在实时的规划路径点序列中我们选取为第1个点、第(1+n)个点和第(1+2*n)个点来构建三角形，选取该三角形外接圆的曲率作为前馈角度确定中的路径曲率。可见，本实施例1中，第一参考点A和第一路径点为同一点。

本实施例1中，参数n取值的选取依据的是车辆的实际纵向速度，所以对前馈方向盘转角性能的影响很大，因此可以将本发明的前馈控制称为自适应前馈。

更进一步地，根据实际纵向速度的预设最大阈值V_max、实际纵向速度的预设最小阈值V_min、参数n的预设最大值n_max和参数n的预设最小值n_min确定参数n的值。

具体地，若v_x≥V_max，则n＝n_max；

若v_x≤V_min，则n＝n_min；

若V_min≤v_x≤V_max，则

路径跟踪前馈控制一般都是基于都是路径曲率的。而本实施例1中，根据车辆的实际纵向速度，选取参数n，进而确定前馈转向角度δ_ff；由此使得前馈方向盘转角性能更加优良。

更进一步地，从路径规划模块实时传入的参考路径点中取三个参考点。设第一参考点A的坐标为(x_A,y_A)，第二参考点B的坐标为(x_B,y_B)，第三参考点C的坐标为(x_C,y_C)。

第一参考点A、第二参考点B和第三参考点C构成了一个三角形，利用向量相关知识，三角形面积S_ΔABC的公式为

再确定三角形的外接圆的半径R_ff，

|AB|为第一参考点A和第二参考点B之间的距离，|AC|为第一参考点A和第三参考点C之间的距离，|BC|为第二参考点B和第三参考点C之间的距离，S_ΔABC为三角形的面积。

实施例2：

在实施例2中，步骤S101、步骤S102和步骤S105可以在同一个步骤中完成。可以根据车辆自身要求和实际情况调整前馈比率a和反馈比率b。

实施例3：

结合图4所示，本发明实施例3提供了一种车辆方向盘转向角度确定系统，包括：

信息获取单元30，用于获取车辆的航向角误差e_ψ、车辆的目标纵向速度v_x,des、车辆的前视距离l_d、车辆的轴距L、车辆的实际纵向速度v_x、具有多个规划路径点的车辆的规划路径以及车辆跟随规划路径点转向的第一曲率k′_fb；

第一确定单元31，用于根据航向角误差e_ψ、目标纵向速度v_x,des和前视距离l_d，确定车辆的反馈转向曲率补偿k_bc；

第二确定单元32，用于根据第一曲率k′_fb、反馈转向曲率补偿k_bc和轴距L，确定车辆的反馈转向角度δ_fb；

第三确定单元32，用于根据规划路径、实际纵向速度v_x和轴距L确定车辆的前馈转向角度δ_ff；

第四确定单元34，用于根据反馈转向角度δ_fb和前馈转向角度δ_ff确定车辆的方向盘转向角度δ。

本实施例3中，第四确定单元34用于根据反馈比率b、反馈转向角度δ_fb、前馈比率a和前馈转向角度确定δ_ff方向盘转向角度δ。具体地，根据δ＝aδ_fb+bδ_ff确定方向盘转向角度δ，a为前馈比率，b为反馈比率，前馈比率a和反馈比率b的数值可以提前配置于第四确定单元34中。

本实施例3中，信息获取单元30连接于车辆配置的路径规划模块或定位导航模块，车辆配置的路径规划模块或定位导航模块将实时规划的规划路径和规划路径点传输至信息获取单元30，路径规划模块或定位导航模块还可以将规划路径点的具体坐标信息、车辆状态信息、车辆当前航向角度ψ等传输至信息获取单元30。信息获取单元30根据车辆当前航向角度ψ和参考航向角度ψ_des确定航向角误差e_ψ。信息获取单元30还可以获取第一确定单元31所需的各种信息。

本实施例3中，信息获取单元30连接于车辆的纵向速度控制器，根据纵向速度控制器发出的纵向速度控制信号确定目标纵向速度v_x,des。信息获取单元30可以连接于车速传感器，车速传感器将实际纵向速度信号传输至信息获取单元30，使信息获取单元30获取实际纵向速度v_x。信息获取单元30还可以根据车辆速度确定前视距离l_d；轴距L可以提前设置于信息获取单元30中。

进一步地，信息获取单元30包括第一曲率确定单元，第一曲率确定单元用于根据纯跟踪模型确定第一曲率k′_fb。

进一步地，信息获取单元30包括第一获取单元和第二获取单元；第一获取单元用于根据规划路径确定参考航向角度ψ_des；第二获取单元用于获取车辆的当前航向角度ψ，根据参考航向角度ψ_des和当前航向角度ψ确定航向角度误差e_ψ，其中，e_ψ＝ψ-ψ_des。本实施例1中，ψ_des是根据实时规划的规划路径确定出来的参考航向角度。

进一步地，第一获取单元包括第一获取子单元和第二获取子单元；第一获取子单元用于从规划路径中选取第一路径点和第二路径点，其中，第一路径点的坐标为(x₁,y₁)，第二路径点的坐标为(x₂,y₂)；第一获取子单元用于根据第一路径点的坐标和第二路径点的坐标，确定车辆的参考航向角度ψ_des。本实施例1中，可以选取实时规划的规划路径点中距离车辆最近的点作为第一路径点，选取第二近的点(最近点之后的第一个点)最为第二路径点。其中，根据第一路径点和第二路径点的坐标确定参考航向角度ψ_des＝a tan 2(y₂-y₁,x₂-x₁)。

进一步地，第一确定单元31包括第一确定子单元、第二确定子单元和第三确定子单元；第一确定子单元用于根据航向角度误差e_ψ和前视距离l_d，确定车辆的反馈航向角度ψ_fb；第二确定子单元用于根据目标纵向速度v_x,des确定目标纵向速度的等效纵向速度v_x,fb；第三确定子单元用于根据反馈航向角度ψ_fb和等效纵向速度v_x,fb确定反馈转向曲率补偿k_bc。

进一步地，第二确定单元32包括第四确定子单元和第五确定子单元；第四确定子单元用于根据第一曲率k′_fb和反馈转向曲率补偿k_bc，确定第二曲率k_fb；第五确定子单元用于根据轴距L和第二曲率k_fb确定车辆的反馈转向角度δ_fb。

更进一步地，第一确定子单元用于根据

确定反馈航向角度；第三确定子单元用于根据

确定反馈转向曲率补偿；第四确定子单元用于根据确定k_fb＝k′_fb+k_bc第二曲率；第五确定子单元用于根据δ_fb＝tan^-1 Lk_fb确定反馈转向角度δ_fb＝tan^-1 Lk_fb。其中，G_yaw,fb为航向角度反馈系数。

更进一步地，第二确定子单元用于根据以下关系确定等效纵向速度v_x,fb：

若|v_x,des|≤v_x,min，并且v_x,des＞0，则v_x,fb＝v_x,min；

若|v_x,des|≤v_x,min，并且v_x,des＜0，则v_x,fb＝-v_x,min；

若|v_x,des|＞v_x,min，并且v_x,des＞0，则v_x,fb＝v_x,des；

若|v_x,des|＞v_x,min，并且v_x,des＜0，则v_x,fb＝-v_x,des；

其中，|v_x,des|为目标纵向速度的绝对值，v_x,min为目标纵向速度的预设参考阈值。

进一步地，第三确定单元32包括第六确定子单元、第七确定子单元、第八确定子单元和第九确定子单元；

第六确定子单元用于根据实际纵向速度v_x从规划路径中选取三个参考点；

第七确定子单元用于根据三个参考点的坐标，确定由三个参考点形成的三角形的外接圆的半径R_ff；

第八确定子单元用于根据三角形的外接圆的半径R_ff，确定前馈曲率k_ff；

第九确定子单元用于根据前馈曲率k_ff和轴距L，确定前馈转向角度δ_ff。

具体地，第八确定单元用于根据

确定前馈曲率；第九确定单元用于根据δ_ff＝tan^-1 Lk_ff确定前馈转向角度，其中，若k_ff＜k_ff,min，则δ_ff＝0，k_ff,min为前馈曲率的预设阈值。

更进一步地，第六确定子单元用于根据实际纵向速度v_x确定参数n的值；

第六确定子单元还用于根据参数n，选取三个参考点，其中，三个参考点包括第一参考点A、第二参考点B和第三参考点C，第二参考点B为第一参考点A之后的第n个点，第三参考点C为第二参考点B之后的第n个点，n为整数且n≥1。

更进一步地，第六确定子单元用于根据以下公式确定参数n：

若v_x≥V_max，则n＝n_max；

若v_x≤V_min，则n＝n_min；

若V_min≤v_x≤V_max，则

其中，V_max为实际纵向速度的预设最大阈值，V_min为实际纵向速度的预设最小阈值，n_max为参数n的预设最大值，n_min为参数n的预设最小值。

本发明是为了解决传统纯跟踪法在弯道跟随和U型弯跟随时方向盘转角不足以及高速行驶时方向盘来回抖动的问题，提高无人车控制跟随轨迹的精度。传统纯跟踪算法本质上是基于横向误差的反馈比例控制器，算法本身没有考虑航向角误差，同时也没有前馈补偿部分，导致很容易超出参考轨迹，而且不容易稳定。

本发明中，第一，先实时规划规划路径点、获取车辆实时位置。第二，进行横向误差、航向角误差双反馈确定反馈转向角度δ_fb；并且进行根据实际纵向速度实时计算参数n，从而实时确定前馈转向角度δ_ff。第三，选取合适的前馈系数a和反馈系数b，计算出最终输出的方向盘转向角度δ。第四，将方向盘转向角度δ传输至车辆底层总线系统。

本发明在原来横向误差反馈的基础上增加基于航向角误差的反馈控制；增加自适应前馈控制部分；最终反向盘转角由前馈部分和反馈部分按照一定比例构成。

增加航向角误差反馈相当于给传统纯跟踪算法增加了阻尼项，从而避免因单独横向误差比例控制导致的控制信号不收敛和来回抖动现象。本发明增加航向角度误差的反馈，车辆跟随轨迹收敛更加平稳，抖动小。尤其是直线路径跟随性能会得到明显改善。

前馈控制项将路径本身的曲率变化考虑进控制算法,从而提高弯道路径跟随的精度。本发明根据当前车辆纵向速度设计自适应的前馈算法，根据车辆速度实时调节用于计算路径曲率的路径点，从而实时前馈方向盘转角大小。

以上仅为本发明的较佳实施例，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 (10)

1.一种车辆方向盘转向角度确定方法，其特征在于，包括：

获取车辆的规划路径，所述规划路径包括多个规划路径点；

获取所述车辆的航向角误差、所述车辆的目标纵向速度、所述车辆的前视距离、所述车辆的轴距和所述车辆跟随规划路径点转向的第一曲率；

根据所述航向角误差、所述目标纵向速度和所述前视距离，确定所述车辆的反馈转向曲率补偿；

根据所述第一曲率、所述反馈转向曲率补偿和所述轴距，确定所述车辆的反馈转向角度；

获取所述车辆的实际纵向速度；

根据所述规划路径、所述实际纵向速度和所述轴距确定所述车辆的前馈转向角度；

根据所述反馈转向角度和所述前馈转向角度确定所述车辆的方向盘转向角度。

2.如权利要求1所述的车辆方向盘转向角度确定方法，其特征在于，根据反馈比率、所述反馈转向角度、前馈比率和所述前馈转向角度确定所述方向盘转向角度。

3.如权利要求1所述的车辆方向盘转向角度确定方法，其特征在于，根据纯跟踪模型确定所述第一曲率。

4.如权利要求1所述的车辆方向盘转向角度确定方法，其特征在于，所述根据所述航向角误差、所述目标纵向速度和所述前视距离，确定所述车辆的反馈转向曲率补偿包括：

根据所述航向角度误差和所述前视距离，确定所述车辆的反馈航向角度；

根据所述目标纵向速度确定所述目标纵向速度的等效纵向速度；

根据所述反馈航向角度和所述等效纵向速度确定所述反馈转向曲率补偿。

5.如权利要求1所述的车辆方向盘转向角度确定方法，其特征在于，所述根据所述第一曲率、所述反馈转向曲率补偿和所述轴距，确定所述车辆的反馈转向角度包括：

根据所述第一曲率和所述反馈转向曲率补偿，确定第二曲率；

根据所述轴距和所述第二曲率确定所述车辆的反馈转向角度。

6.如权利要求1所述的车辆方向盘转向角度确定方法，其特征在于，所述根据所述规划路径、所述实际纵向速度和所述轴距确定所述车辆的前馈转向角度包括：

根据所述实际纵向速度从所述规划路径中选取三个参考点；

根据三个所述参考点的坐标，确定由三个所述参考点形成的三角形的外接圆的半径；

根据所述三角形的外接圆的半径，确定前馈曲率；

根据所述前馈曲率和所述轴距，确定所述前馈转向角度。

7.如权利要求6所述的车辆方向盘转向角度确定方法，其特征在于，所述根据所述实际纵向速度从所述规划路径中选取三个参考点包括：

根据所述实际纵向速度确定参数n的值；

根据所述参数n，选取三个所述参考点，其中，三个所述参考点包括第一参考点A、第二参考点B和第三参考点C，所述第二参考点B为所述第一参考点A之后的第n个点，所述第三参考点C为所述第二参考点B之后的第n个点，n为整数且n≥1。

8.如权利要求7所述的车辆方向盘转向角度确定方法，其特征在于，根据实际纵向速度的预设最大阈值、实际纵向速度的预设最小阈值、参数n的预设最大值和参数n的预设最小值确定所述参数n的值。

9.如权利要求6所述的车辆方向盘转向角度确定方法，其特征在于，若所述前馈曲率小于前馈曲率的预设阈值，则所述前馈转向角度等于0。

10.一种车辆方向盘转向角度确定系统，其特征在于，包括：

信息获取单元，用于获取车辆的航向角误差、所述车辆的目标纵向速度、所述车辆的前视距离、所述车辆的轴距、所述车辆的实际纵向速度、具有多个规划路径点的所述车辆的规划路径以及所述车辆跟随规划路径点转向的第一曲率；

第一确定单元，用于根据所述航向角误差、所述目标纵向速度和所述前视距离，确定所述车辆的反馈转向曲率补偿；

第二确定单元，用于根据所述第一曲率、所述反馈转向曲率补偿和所述轴距，确定所述车辆的反馈转向角度；

第三确定单元，用于根据所述规划路径、所述实际纵向速度和所述轴距确定所述车辆的前馈转向角度；

第四确定单元，用于根据所述反馈转向角度和所述前馈转向角度确定所述车辆的方向盘转向角度。

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