CN113335309A - 一种车辆纵向控制方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种车辆纵向控制方法和装置,该方法包括:根据车辆当前速度和最近轨迹点信息确定作为预瞄点的轨迹点;将所述预瞄点的参考速度设置为期望速度,计算所述期望速度与所述车辆当前速度的差作为速度反馈误差,根据所述速度反馈误差计算得到期望加速度、以及额外驱制动力;根据所述额外驱制动力修正所述速度反馈误差,利用修正后的速度反馈误差确定速度控制模式;根据所述速度控制模式,将所述额外驱制动力转化为相应的驱动补偿量或制动补偿量,通过驱动器件或制动器件实现对车辆的纵向控制。本发明实施例中,考虑车辆当前速度和所处不同模式,灵活确定驱动补偿或制动补偿,从而能够实现更加精确的纵向控制。
Description
技术领域
本发明涉及智能车辆纵向控制技术领域,特别是涉及一种车辆纵向控制方法和装置。
背景技术
纵向控制是自动驾驶车辆不可或缺的基本功能之一,主要负责对期望速度(需要进行跟踪的参考速度)进行跟踪。目前纵向控制方法主要包括PID(Proportion IntegralDifferential,比例积分微分)控制、模糊控制、滑模控制、最优控制以及模型预测控制。
现有纵向控制方法很少考虑路面坡度变化的影响,难以实现精确的纵向控制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种车辆纵向控制方法和装置,以解决上述现有技术中的问题。
为实现上述目的,本发明实施例提供一种车辆纵向控制方法,包括:
步骤1,根据车辆当前速度和最近轨迹点信息确定作为预瞄点的轨迹点;
步骤2,将所述预瞄点的参考速度设置为期望速度,计算所述期望速度与所述车辆当前速度的差作为速度反馈误差,根据所述速度反馈误差计算得到期望加速度、以及额外驱制动力;
步骤3,根据所述额外驱制动力修正所述速度反馈误差,利用修正后的速度反馈误差确定速度控制模式,所述速度控制模式包括驱动模式和制动模式;所述修正包括:
vrevise=verror-KF额外
其中,vrevise为修正后的速度反馈误差,K为预设比例系数,verror为所述速度反馈误差,F额外表示所述额外驱制动力;
步骤4,根据所述速度控制模式,将所述额外驱制动力转化为相应的驱动补偿量或制动补偿量,通过驱动器件或制动器件实现对车辆的纵向控制。
优选的,步骤1包括:
遍历车辆当前位置预设距离范围内的所有轨迹点,求取距离车辆最近的点作为所述最近轨迹点;
根据下式(1)确定预瞄距离:
dp_v=kpvvΔt
dp=max{dp_v,dp_c}
式(1)中dp_v与dp_c分别为根据所述当前速度与所述最近轨迹点的曲率信息动态确定的预瞄距离;kpv为比例系数;Δt为采样时间;high、medium和low为预设的三个不同的距离值;N1和N2为预设值;dp为最终得到的预瞄距离;
根据所述预瞄距离从所述最近轨迹点向前方轨迹点进行距离遍历,将第一个超过所述预瞄距离的轨迹点确定为所述预瞄点。
优选的,步骤2包括:
根据所述期望速度以及所述车辆的实际速度计算速度反馈误差:
verror=v-vdes
式中v为所述车辆的实际速度,vdes为所述期望速度,verror为所述速度反馈误差;
利用下式确定期望加速度ades:
通过下式计算所述额外驱制动力:
F额外=m当前(ades+gf cosθ+g sinθ)-m空载(ades+gf)
其中,F额外表示所述额外驱制动力,m当前与m空载分别为当前状态下车辆质量与空载状态下车辆质量,g为重力加速度,f为滚动阻力系数,θ为路面坡度。
优选的,步骤3包括:
根据下式基于所述修正后的速度反馈误差确定所述速度控制模式:
其中,Ctrl为所述速度控制模式,driving_ctrl为驱动模式,braking_ctrl为制动模式,remain_unchanged为保持当前模式不变,M1和M2为预设值。
优选的,步骤4包括:
根据所述速度控制模式,查找预设的所述额外驱制动力与驱动补偿量或制动补偿量的对应关系,确定需要的驱动补偿量或制动补偿量。
优选的,步骤4之前还包括:
预设N组额外驱制动力:
F额外_上坡={FU1,FU2,...FUN-1,FUN}
F额外_下坡={FD1,FD2,...FDN-1,FDN}
预设与所述N组额外驱制动力对应的驱动补偿量与制动补偿量:
αc_up={AU1,AU2,...AUN-1,AUN}
pc_up={PU1,PU2,...PUN-1,PUN}
αc_dwon={AD1,AD2,...ADN-1,ADN}
pc_down={PD1,PD2,...PDN-1,PDN}
其中,F额外_上坡与F额外_下坡分别表示上坡与下坡工况下的额外驱制动力,αc_up与αc_dwon分别为上坡与下坡的驱动补偿量,pc_up与pc_down分别表示上坡与下坡的制动补偿量。
优选的,步骤4包括:
确定所述N组额外驱制动力中与所述额外驱制动力最接近的一组额外驱制动力,使用与所述最接近的一组额外驱制动力确定对应的驱动补偿量或制动补偿量。
优选的,步骤4包括:
根据下式计算标志数:
通过下式计算驱动与制动补偿量:
其中,θ为路面坡度,index上与index下分别用于指示第index上个和第index下个补偿量。
优选的,若车辆需要采用驱动模式,则通过下式确定期望油门踏板开度:
其中,αd为期望油门踏板开度,kp_α为预设比例系数,ki_α为预设积分系数;
若车辆需要采用制动模式,则通过下式确定制动踏板开度:
其中,pd为期望制动踏板开度,kp_p为比例系数,ki_p为积分系数。
本发明实施例还提供一种车辆纵向控制装置,包括:
采集模块,用于确定车辆当前速度和最近轨迹点信息;
处理模块,用于:
根据车辆当前速度和最近轨迹点信息确定作为预瞄点的轨迹点;将所述预瞄点的参考速度设置为期望速度,计算所述期望速度与所述车辆当前速度的差作为速度反馈误差,根据所述速度反馈误差计算得到期望加速度、以及额外驱制动力;根据所述额外驱制动力修正所述速度反馈误差,利用修正后的速度反馈误差确定速度控制模式,所述速度控制模式包括驱动模式和制动模式;所述修正包括:
vrevise=verror-KF额外
其中,vrevise为修正后的速度反馈误差,K为预设比例系数,verror为所述速度反馈误差,F额外表示所述额外驱制动力;
根据所述速度控制模式,将所述额外驱制动力转化为相应的驱动补偿量或制动补偿量;
驱动模块,用于根据所述处理模块确定的驱动补偿量驱动所述车辆;以及
制动模块,用于根据所述处理模块确定的制动补偿量制动所述车辆。
与现有技术相比,本发明至少具有下述优点:
本发明实施例提供的方法和装置中,考虑车辆当前速度和所处不同模式,灵活确定驱动补偿或制动补偿,从而能够实现更加精确的纵向控制。
附图说明
图1是本发明实施例提供的车辆纵向控制方法的流程示意图。
图2是在图1所示方法中修正速度反馈误差以及确定速度控制模式的流程示意图。
图3是本发明实施例提供的一种将所需的额外驱制动力转化为相应的驱动和制动的补偿量的方式的示意图。
图4是本发明实施例提供的车辆纵向控制装置的结构示意图。
具体实施方式
在附图中,使用相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
在本发明的描述中,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“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保护范围的限制。
在不冲突的情况下,本发明各实施例及各实施方式中的技术特征可以相互组合,并不局限于该技术特征所在的实施例或实施方式中。
本发明实施例提供一种基于期望驱制动力补偿的纵向控制方法和装置,应用于自动驾驶车辆,该车辆包括感应器、处理器、驱动控制装置和制动控制装置等器件。其中,感应器用于测量车辆状态、行驶轨迹和路面状况(例如路面坡度),包括但不限于激光感应器、重力感应器、压力感应器、定位装置等,车辆状态包括车辆行驶速度、横摆角等各种参数。处理器用于根据感应器所测量的车辆状态、行驶轨迹和路面状况确定车辆所需的额外驱制动力,并将该额外驱制动力转化为相应的速度补偿量,通过驱动控制装置和制动控制装置等实现纵向控制。驱动控制装置包括但不限于油门踏板,其它用于替代踏板的能够起到驱动作用的器件也属于驱动控制装置。制动控制装置包括但不限于刹车,其它能够起到制动作用的能够代替刹车的器件也属于制动控制装置。
本文涉及下列术语,为便于理解,对其含义说明如下。本领域技术人员应当理解,下列术语也可能有其它名称,但在不脱离其含义的情形下,其它任何名称都应当被认为与本文所列术语一致。
轨迹点:处理器预先规划的参考路径由一组离散的点组成,这些离散的点被称为轨迹点。
最近轨迹点:离车辆最近的轨迹点称为最近轨迹点。在优选的实施方案中,离车辆后轴中心最近的轨迹点为最近轨迹点。容易理解,本领域技术人员可以根据实际需要设置距离车辆其它位置最近的轨迹点为最近轨迹点。
本发明实施例提供一种车辆纵向控制方法。图1示出该车辆纵向控制方法的流程示意图,包括以下步骤:
步骤1,根据车辆当前速度和最近轨迹点信息确定预瞄点。
本步骤中,首先,获取最近轨迹点信息,获取过程具体包括:
轨迹点信息包含坐标、航向角以及速度信息。首先要结合车辆实际的位置坐标与轨迹点信息确定离车辆最近的轨迹点,简称最近轨迹点。利用下式遍历车辆当前位置预设距离范围内的所有轨迹点,求取两点之间的最小距离。
d=(x-x0)2+(y-y0)2
其中,d为车辆当前点与轨迹点之间的欧氏距离,x与y分别为轨迹点的横/纵坐标,x0与y0分别为车辆上预设位置的横/纵坐标。如前所述,该预设位置包括车辆后轴中心。在其它实施方式中,该预设位置还可以为其它位置,例如车辆前轴中心等。
其次,根据最近轨迹点信息选取预瞄点,选取过程具体包括:
1)根据车辆当前速度与最近轨迹点曲率信息对预瞄距离进行动态化选取,如下式(1)所示:
dp_v=kpvvΔt
dp=max{dp_v,dp_c}
式(1)中dp_v与dp_c分别为根据当前速度与最近轨迹点曲率信息动态确定的预瞄距离;kpv为比例系数,其值可以根据经验或需求预先设置,在一个例子中,其值设置为1.2;Δt为采样时间,其值同样可以根据经验或需求预先设置,在一个例子中,其值设置为0.05s;high、medium和low的值同样可以根据经验或需求预先设置,在一个例子中,其值设置为1.5、2.5、3.5;dp为最终得到的预瞄距离。N1和N2的值同样可以根据经验或需求预先设置,在一个例子中,N1=N2=0.05。
其中,处理器在规划路径时已经预先确定各轨迹点以及各轨迹点的坐标、航向角、曲率以及对应的速度,因此,在确定最近轨迹点后便可以确定最近轨迹点曲率信息。为便于表述,下文将在规划路径时确定的各轨迹点的速度称为参考速度。
2)根据预瞄距离从最近轨迹点向前方轨迹点进行距离遍历,求取每两个轨迹点之间的距离,并将所有距离进行累加,当长度超过预瞄距离时,将此轨迹点确定为预瞄点。也就是说,将第一个超过预瞄距离的轨迹点确定为预瞄点。
步骤2,将预瞄点的参考速度设置为期望速度,计算期望速度与车辆当前速度的差,根据差计算得到期望加速度、以及额外驱制动力。
其中,根据期望速度以及车辆的实际速度计算速度反馈误差包括:
verror=v-vdes
式中v为车辆实际速度,vdes为期望速度,verror为速度反馈误差。
基于速度反馈误差的PIPID(ProportionIntegral,比例积分)控制求得期望加速度ades:
进而,可以通过下式计算额外驱制动力:
F额外=m当前(ades+gf cosθ+g sinθ)-m空载(ades+gf)
其中,F额外表示当前状态下车辆所需的额外驱制动力,m当前与m空载分别为当前状态下车辆质量与空载状态下车辆质量,g为重力加速度,f为滚动阻力系数,θ为路面坡度。
步骤3,根据所述额外驱制动力修正速度反馈误差,利用修正后的速度反馈误差确定速度控制模式。
如图2所示,具体包括:
步骤31,进行速度反馈误差修正:
vrevise=verror-KF额外
式中,vrevise为修正后的速度反馈误差,K为比例系数,verror为速度反馈误差。其中,K的值可以根据经验或具体需求设置。在一个优选的实施方式中,K的取值为0.05。
步骤32,基于修正后的速度反馈误差确定速度控制模式为驱动模式或者制动模式。其中,驱动模式与制动模式的切换逻辑为:
式中,Ctrl为速度控制模式,driving_ctrl为驱动模式,braking_ctrl为制动模式,remain_unchanged为保持当前模式不变,M1和M2为死区偏置,其值为根据经验预先设置。M1可以等于M2,当然两者也可以不相等。在一个示例中,M1=M2=0.3。在不同应用场景下,死区偏置可以根据实际需要设置为不同值,例如M1=0.5,M2=0.4。
步骤4,根据速度控制模式将所需的额外驱制动力转化为相应的驱动和制动的补偿量,实现对车辆的纵向控制。
在一种实现方式中,可以预先采集车辆实际运行时的数据,获取车辆上坡与下坡工况且不同载重情况分别对应的额外驱制动力,以及对应的驱动与制动的补偿量,建立车辆上坡与下坡工况且不同载重情况与额外驱制动力和驱动与制动的补偿量的对应关系,该对应关系可以为线性或非线性关系。
在获知所需的额外驱制动力后,如果为驱动模式,根据车辆当前上坡与下坡工况、载重情况和额外驱制动力,确定对应的驱动补偿量,利用该驱动补偿量控制驱动装置,实现车辆的加速控制。
在获知所需的额外驱制动力后,如果为制动模式,则根据车辆当前上坡与下坡工况、载重情况和额外驱制动力,得到对应的制动补偿量,利用该制动补偿量控制制动装置,实现车辆的减速控制。
在获知所需的额外驱制动力后,如果为保持模式,则不需要补偿驱动或制动,保持车速。
本发明实施例还提供另一种将所需的额外驱制动力转化为相应的驱动和制动的补偿量的方式,如图3所示,包括:
步骤41,采集车辆实际运行时的数据,分别在车辆上坡与下坡工况且不同载重情况对应的额外驱制动力范围中,选取N组额外驱制动力并标定其对应的驱动与制动的补偿量。
N为正整数,其数值可以根据实际需求设置。在一个优选的实施方式中,根据车辆所能达到的最大加速度、最大坡度、最大载重量计算上坡和下坡的额外驱制动力范围,再在中间插值,得到N组额外驱制动力。
F额外_上坡={FU1,FU2,...FUN-1,FUN}
F额外_下坡={FD1,FD2,...FDN-1,FDN}
在一个优选的实施方式中,上述N组额外驱制动力从1至N依次增加。
在一个优选的实施方式中,上述N组额外驱制动力的选取方式包括:根据车辆的最大额外驱制动力和最小额外驱制动力选取N组额外驱制动力,且该N组额外驱制动力之间等比例。例如,相邻的任意两组额外驱制动力之间的差值为最大额外驱制动力和最小额外驱制动力的差与N-1的比值。
与N组额外驱制动力对应的是N组驱动与制动的补偿量:
αc_up={AU1,AU2,...AUN-1,AUN}
pc_up={PU1,PU2,...PUN-1,PUN}
αc_dwon={AD1,AD2,...ADN-1,ADN}
pc_down={PD1,PD2,...PDN-1,PDN}
下面以N为5为例进行说明。选取的五组额外驱制动力表示为:
F额外_上坡={FNB1,FNS1,FZ1,FPS1,FPB1}
F额外_下坡={FNB2,FNS2,FZ2,FPS2,FPB2}
容易理解,若N不为5,其它数量的额外驱制动力也可以通过类似方式得到。在一个示例中,上述5组额外驱制动力的值依次递增。
与5组额外驱制动力对应的标定的驱动与制动的补偿量表示为:
αc_up={NB1,NS1,Z1,PS1,PB1}
pc_up={NB2,NS2,Z2,PS2,PB2}
αc_dwon={NB3,NS3,Z3,PS3,PB3}
pc_down{NB4,NS4,Z4,PS4,PB4}
式中,F额外_上坡与F额外_下坡分别为选取的上坡与下坡工况下的额外驱制动力,FNB1、FNS1、FZ1、FPS1、FPB1、FNB2、FNS2、FZ2、FPS2、FPB2分别为选取的上坡与下坡工况下不同载重对应的额外驱制动力,αc_up与αc_dwon分别为上坡与下坡的驱动补偿量,pc_up与pc_down分别为上坡与下坡的制动补偿量,NBi、NSi、Zi、PSi、PBi(i=1,2,3,4)分别为不同的标定值。
预先确定N组额外驱制动力与对应的N组驱动与制动的补偿量后,可以确定N组额外驱制动力中与步骤2中计算得到的额外驱制动力最接近的一组额外驱制动力,使用该最接近的一组额外驱制动力确定对应的驱动补偿量或制动补偿量。
在另一实施方式中,步骤41之后,还可以通过下述方式确定驱动补偿量或制动补偿量:
步骤42,由额外驱制动力与额外驱制动力范围计算标志数:
以N为5为例,则
步骤43,计算驱动与制动补偿量:
若下一时刻为驱动模式,则通过上式得到最终期望油门踏板开度并下发到底层,执行该控制指令,相应的驱动控制律为:
式中,αd为期望油门踏板开度,kp_α为比例系数,ki_α为积分系数。
若下一时刻为制动状态,则通过PI控制得到最终期望制动踏板开度并下发到底层,执行该控制命令,相应的制动控制律为:
式中,pd为期望制动踏板开度,kp_p为比例系数,ki_p为积分系数。
在一个示例中,若步骤3中确定为驱动模式,图3所示各步骤中的驱制动力为驱动力,对应补偿量为驱动补偿量,若步骤3中确定为制动模式,图3所示各步骤中的驱制动力为制动力,对应补偿量为制动补偿量。
本发明实施例还提供一种车辆纵向控制装置,包括用于实现上述各实施例、实施方式或示例中提供的方法的模块。
在一个示例中,如图4所示,该纵向控制装置包括:
采集模块10,用于确定车辆当前速度和最近轨迹点信息;
处理模块20,用于:
根据车辆当前速度和最近轨迹点信息确定作为预瞄点的轨迹点;将所述预瞄点的参考速度设置为期望速度,计算所述期望速度与所述车辆当前速度的差作为速度反馈误差,根据所述速度反馈误差计算得到期望加速度、以及额外驱制动力;根据所述额外驱制动力修正所述速度反馈误差,利用修正后的速度反馈误差确定速度控制模式,所述速度控制模式包括驱动模式和制动模式;所述修正包括:
vrevise=verror-KF额外
其中,vrevise为修正后的速度反馈误差,K为预设比例系数,verror为所述速度反馈误差,F额外表示所述额外驱制动力;
根据所述速度控制模式,将所述额外驱制动力转化为相应的驱动补偿量或制动补偿量;
驱动模块30,用于根据所述处理模块确定的驱动补偿量驱动所述车辆;以及
制动模块40,用于根据所述处理模块确定的制动补偿量制动所述车辆。
其中,处理模块20还可以执行上述各实施例、实施方式或示例中提供的方法中对应的步骤,此处不再赘述。
通过采用本发明实施例提供的方法和装置,能够考虑车辆当前速度和所处不同模式,灵活确定驱动补偿或制动补偿,从而能够实现更加精确的纵向控制。
最后需要指出的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制。本领域的普通技术人员应当理解:可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种车辆纵向控制方法,其特征在于,包括:
步骤1,根据车辆当前速度和最近轨迹点信息确定作为预瞄点的轨迹点;
步骤2,将所述预瞄点的参考速度设置为期望速度,计算所述期望速度与所述车辆当前速度的差作为速度反馈误差,根据所述速度反馈误差计算得到期望加速度、以及额外驱制动力;
步骤3,根据所述额外驱制动力修正所述速度反馈误差,利用修正后的速度反馈误差确定速度控制模式,所述速度控制模式包括驱动模式和制动模式;所述修正包括:
vrevise=verror-KF额外
其中,vrevise为修正后的速度反馈误差,K为预设比例系数,verror为所述速度反馈误差,F额外表示所述额外驱制动力;
步骤4,根据所述速度控制模式,将所述额外驱制动力转化为相应的驱动补偿量或制动补偿量,通过驱动器件或制动器件实现对车辆的纵向控制。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤4包括:
根据所述速度控制模式,查找预设的所述额外驱制动力与驱动补偿量或制动补偿量的对应关系,确定需要的驱动补偿量或制动补偿量。
6.根据权利要求1或5所述的方法,其特征在于,步骤4之前还包括:
预设N组额外驱制动力:
F额外_上坡={FU1,FU2,...FUN-1,FUN}
F额外_下坡={FD1,FD2,...FDN-1,FDN}
预设与所述N组额外驱制动力对应的驱动补偿量与制动补偿量:
αc_up={AU1,AU2,...AUN-1,AUN}
pc_up={PU1,PU2,...PUN-1,PUN}
αc_dwon={AD1,AD2,...ADN-1,ADN}
pc_down={PD1,PD2,...PDN-1,PDN}
其中,F额外_上坡与F额外_下坡分别表示上坡与下坡工况下的额外驱制动力,αc_up与αc_dwon分别为上坡与下坡的驱动补偿量,pc_up与pc_down分别表示上坡与下坡的制动补偿量。
7.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,步骤4包括:
确定所述N组额外驱制动力中与所述额外驱制动力最接近的一组额外驱制动力,使用与所述最接近的一组额外驱制动力确定对应的驱动补偿量或制动补偿量。
10.一种车辆纵向控制装置,其特征在于,包括:
采集模块,用于确定车辆当前速度和最近轨迹点信息;
处理模块,用于:
根据车辆当前速度和最近轨迹点信息确定作为预瞄点的轨迹点;将所述预瞄点的参考速度设置为期望速度,计算所述期望速度与所述车辆当前速度的差作为速度反馈误差,根据所述速度反馈误差计算得到期望加速度、以及额外驱制动力;根据所述额外驱制动力修正所述速度反馈误差,利用修正后的速度反馈误差确定速度控制模式,所述速度控制模式包括驱动模式和制动模式;所述修正包括:
vrevise=verror-KF额外
其中,vrevise为修正后的速度反馈误差,K为预设比例系数,verror为所述速度反馈误差,F额外表示所述额外驱制动力;
根据所述速度控制模式,将所述额外驱制动力转化为相应的驱动补偿量或制动补偿量;
驱动模块,用于根据所述处理模块确定的驱动补偿量驱动所述车辆;以及
制动模块,用于根据所述处理模块确定的制动补偿量制动所述车辆。
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