CN113396093B - 用于自主控制设备移动性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于自主控制汽车设备(10)的移动性的方法，该移动性对所述设备的路径(T0)产生影响。根据本发明，该方法包括以下步骤：‑获取与该设备的路径相关的参数，以及‑根据所述参数来计算该设备的移动性的新控制设定点，该新控制设定点是通过满足该控制设定点的变化限制模型的控制器来确定的。

Description

用于自主控制设备移动性的方法
技术领域
一般而言，本发明涉及对汽车设备的路径进行跟踪的自动化。
本发明在机动车辆辅助驾驶的框架中具有特别有利的应用，但其也可以应用于航空学或机器人学领域。
更具体地，本发明涉及一种用于自主控制汽车设备的移动性的方法(换言之，路径控制机制)，该方法包括以下步骤：
-获取与该设备的路径相关的参数，以及
-根据所述参数来计算该设备的移动性的新控制设定点。
本发明还涉及一种设备，该设备配备有适于实施该方法的计算机。
背景技术
出于机动车辆的安全目的，机动车辆目前配备了驾驶辅助系统或自主驾驶系统。
在这些系统中，自动紧急制动系统(以缩写AEB更为人所知)是众所周知的，其旨在通过简单地作用于机动车辆的传统制动系统来避免与位于车辆行驶路径中的障碍物发生任何碰撞。
然而，在有些情况下，这些紧急制动系统无法避免碰撞或无法使用(例如，如果有任何东西紧跟在机动车辆后面)。
对于这些情况，已经开发了自动避让系统(以“自动规避转向”或“自动紧急转向”的缩写AES更为人所知)，其允许要么通过作用于车辆的转向要么通过作用于车辆的差动制动系统而使车辆偏离其路径来避开障碍物。
然而，AES系统确实会在可控性方面对车辆强加限制性路径，这不允许驾驶员完全安全地接管车辆的驾驶。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点，本发明的目的是使用被设计为生成控制设定点的控制器，该控制设定点限制强加在汽车设备上的方向变化的速度。
更具体地，根据本发明，提供了一种用于自主控制汽车设备的移动性的方法，该移动性被设计为影响所述设备的路径，该方法包括以下步骤：
-获取与该设备的路径相关的参数，以及
-根据所述参数来计算该设备的移动性的新控制设定点，该新控制设定点是通过满足该控制设定点的变化限制模型的控制器来确定的。
因此，凭借本发明，该控制设定点是以原生方式确定的，以用于限制所讨论的移动性的变化速度。
优选地，该设备是被设计为在道路上行驶并且包括至少一个可转向车轮的机动车辆，所述移动性对应于每个可转向车轮的最大转向角，并且该控制设定点是每个可转向车轮的饱和转向角设定点。
在这种特殊情况下，转向角因此被直接计算出，因此其不能变化太快，这使得车辆驾驶员能够完全安全地接管车辆的驾驶，并防止超出车辆沿路径行驶的能力。
本发明特别适用于车辆路径是用于避开位于车辆行驶道路上的障碍物的路径的情况。在这种特殊情况下，车辆需要快速且完全安全地做出反应，以很短的响应时间沿着期望路径行驶。
以下是根据本发明的方法的其他非限制性的有利特征，这些特征单独地或根据所有技术上可能的组合加以考虑：
-一个目的是确定不满足所述限制模型的该转向角的不饱和设定点，并且其中，该限制模型包括该转向角的不饱和设定点与该转向角的饱和设定点之间的间距的双曲正切函数；
-另一目的是将通过所述双曲正切函数计算的值与预定阈值进行比较，并且根据所述比较的结果来继续或中断所述方法；
-所述值是通过以下数学表达式计算的：
其中，α是预定的常数，
δk是该转向角的不饱和设定点，并且
δref是该转向角的饱和设定点；
-这些参数包括该设备的至少一个偏航速度r和/或该设备的纵轴与路径的切线之间的相对航向ΨL。
本发明还涉及一种用于生成用于诸如上述控制方法的控制器的方法，其目的是：
-获取该设备的行为矩阵模型，
-确定该行为矩阵模型的矩阵的至少一部分系数，
-由此推导出控制器，该控制器一方面满足待行驶路径的跟踪，另一方面满足控制设定点变化限制模型。
然后，优选地，在线性矩阵不等式的约束下使用凸优化准则来确定该控制器。
本发明还涉及一种汽车设备，该汽车设备包括被设计为影响所述设备的路径的至少一个移动性、用于控制所述移动性的致动器、以及用于控制所述致动器的计算机，该计算机被设计为实施诸如上述的方法。
然后，有利地，该设备由被设计为在道路上行驶并且包括至少一个可转向车轮的机动车辆形成，所述移动性则对应于每个可转向车轮的最大转向角。
不言而喻，本发明的各种特征、变体和实施例可以根据各种组合相互关联，只要它们彼此不是不相容或相互排斥即可。
附图说明
以下结合附图通过非限制性示例给出的描述将使得清楚地理解本发明所包括的内容以及如何实施本发明。
在附图中：
图1是机动车辆在道路上行驶的示意性俯视图，其上示出了该车辆必须行驶的路径；
图2是图1中的机动车辆的示意性鸟瞰图，示出了沿避开障碍物的路径的四个连续位置；
图3是展示了双曲正切函数变化的曲线图；
图4是展示了用于控制机动车辆的闭环传递函数的图；
图5是展示了用于控制机动车辆的函数θ的变化的曲线图；
图6是展示了用于根据本发明的方法控制车辆的算法的曲线图。
具体实施方式
图1示出了机动车辆10，其通常包括界定乘客舱的底盘、两个可转向的前轮11和两个不可转向的后轮12。作为变体，这两个后轮也可以是可转向车轮。
该机动车辆10包括传统的转向系统，其允许作用于前轮11的取向，从而能够使车辆转弯。这种传统的转向系统尤其包括连接到拉杆以使前轮11枢转的方向盘。在所考虑的示例中，该机动车辆还包括致动器，该致动器允许根据方向盘的取向和/或根据从计算机13接收的请求来作用于前轮的取向。
作为补充，该机动车辆可以潜在地被布置为包括差动制动系统，该差动制动系统允许不同地作用于前轮11的转速(以及后轮12的转速)，从而在转弯时使机动车辆减速。差动制动系统包括例如放置在车辆车轮上的受控差速器或电动马达。
在本说明书的以下部分中，所讨论的转向系统将仅由传统转向系统形成。作为变体，它可以由传统转向系统和差动制动系统的组合形成。
然后提供了用于控制动力转向致动器的计算机13。为此，该计算机包括至少一个处理器、至少一个存储器以及各种输入和输出接口。
计算机13被设计为凭借其输入接口来接收源自各种传感器的输入信号。
例如，在这些传感器中提供了：
-诸如前置摄像头之类的装置，使得能够相对于车辆的行驶车道来定位车辆的位置，
-诸如RADAR或LIDAR遥感系统之类的装置，使得能够检测位于机动车辆10的路径上的障碍物20(图2)，
-诸如陀螺仪之类的装置，使得能够确定机动车辆10的偏航旋转速度(围绕竖直轴)，以及
-方向盘的位置和角速度的传感器。
计算机13能够凭借这些输出接口向动力转向致动器传输设定点。
因此，它允许车辆被迫遵循路径T0以避开障碍物20。
计算机13凭借其存储器存储在下文描述的方法的框架中使用的数据。
该存储器尤其存储由包括指令的计算机程序构成的软件应用程序，处理器执行这些指令以允许计算机实施下文描述的方法。
在描述该方法之前，可能会介绍将要使用的各种变量，其中一些在图1中进行了说明。
机动车辆的总质量将表示为“m”，并以kg为单位表示。
机动车辆围绕穿过其重心CG的竖直轴的惯性将表示为“J”，并以N.m为单位表示。
重心CG与车辆前车桥之间的距离将表示为“If”，并以米为单位表示。
重心CG与后车桥之间的距离将表示为“Ir”，并以米为单位表示。
前轮的漂移刚度系数将表示为“Cf”，并以N/rad为单位表示。
后轮的漂移刚度系数将表示为“Cr”，并以N/rad为单位表示。
车轮的这些漂移刚度系数是本领域技术人员熟知的概念。举例来说，前轮的漂移刚度系数因此可以写出等式Ff＝2.Cf.αf，其中Ff是前轮的横向滑动力并且αf是前轮的漂移角。
可转向的前轮与机动车辆10的纵轴A1形成的转向角将表示为“δ”并以rad为单位表示。
以rad为单位表示的变量δref将表示饱和转向角设定点，例如将被传输到动力转向致动器。
以rad为单位表示的变量δK将表示不饱和转向角设定点。在这个阶段，只能说明饱和的概念将与转弯角速度限制联系在一起，该速度限制不一定被变量δK所遵守，但它将被变量δref所遵守。
车辆的偏航速度(围绕穿过其重心CG的竖直轴)将表示为“r”，并以rad/s为单位表示。
车辆的纵轴A1与避让路径T0的切线(车辆的期望路径)之间的相对航向角将表示为“ΨL”，并以rad为单位表示。
在位于车辆前方的视距“ls”处，机动车辆10的纵轴A1(穿过重心CG)与避让路径T0之间的横向间距将表示为“yL”，并以米为单位表示。
在位于车辆前方的视距“ls”处，机动车辆10的纵轴A1(穿过重心CG)与避让路径T0之间的横向间距设定点将表示为“yL-ref”，并以米为单位表示。
路径跟踪误差将表示为“eyL”，并以米为单位表示。其将等于横向间距设定点yL-ref与横向间距yL之间的差。
上述视距“ls”将从重心CG开始测量并以米为单位表示。
机动车辆10的漂移角(机动车辆的速度矢量与其纵轴A1所成的角)将表示为“β”，并以rad为单位表示。
机动车辆沿纵轴A1的速度将表示为“V”，并以m/s为单位表示。
P和Q将是适当维度的正对称矩阵，使得Q＝P-1。通过阅读本说明书的以下部分，这些矩阵的确切表达将变得更加清楚。
常数ξ和ω将代表车辆前轮转向角的动态特性。
就其本身而言，常数ωf将代表应用于车辆的任意有界扰动w的动态特性。
在描述将由计算机执行的用于实施本发明的方法之前，在本说明书的第一部分中，将描述导致本发明构思的计算，以便清楚地理解这些计算源自何处以及他们所依赖的结果。
这里将考虑车辆的动态行为可以通过以下等式建模。
[Math 1]
该模型是改进的自行车模型。
然而，该模型不允许限制车辆的前轮11的转弯角速度，并且这种限制对于确保车辆的驾驶员可以随时收回对车辆的控制尤为重要。
这种限制可以通过以下等式来表示。
[Math 2]
在该等式中，系数v是常数，代表不能被超过的转弯角速度。该常数是通过计算或在测试车辆上进行的测试活动结束时定义的。
根据本发明，期望不是通过强加突然的阈值，而是通过使用设定点变化限制器(以术语“速率限制器”更为人所知)来限制可转向车轮11的转弯角速度。
如图4所示，这里的速率限制器T1是特殊的，因为它在闭环中运行，并且表现出以v/s为单位的传递函数和作为双曲正切函数的校正器。其接收不饱和转向角设定点δK作为输入，并传输饱和转向角设定点δref作为输出。
在该图中，系数Δ对应于变量δref与δK之间的差。系数α是范围介于0到无穷大之间的常数，这是允许影响速率限制器T1的速度或灵活性的唯一参数。
如图3所示，这种校正器的使用不仅允许确实限制转向角的变化，而且还允许提供饱和转向角设定点δref的变化的连续性。
因此，曲线C1示出该设定点变化可能是平滑且灵活的(具有低系数α)，或者如曲线C2所示更快(曲线C3对应于无穷远的系数)。
该速率限制器T1的优点是设置简单，因为它只需要调整系数α。其允许提供连续且平滑的控制(无限可微)。最重要的是，其可以在由等式Math 1定义的车辆动态行为模型中直接考虑，以计算车辆的转向角设定点。
为此，鉴于该速率限制器T1的形式，可以写出以下等式：
[Math 3]
该等式也可以写成以下形式：
[Math 4]
然后可以引入以下参数θ：
[Math 5]
于是等式Math 4可以写成以下形式：
[Math 6]
该等式Math 6是状态表示的特性，并且其示出速率限制器模型T1作为参数θ的函数是线性的。
等式Math 1的自行车模型然后可以用该状态表示来丰富，从而获得新模型，它被写成：
[Math 7]
在图4中，车辆的行为模型以闭环的形式显示，其中，T2代表由等式Math 1给出的车辆模型。
在该循环中，该模型T2接收饱和转向角设定点δref和扰动w作为输入。
基于该模型T2并凭借传感器提供的测量结果，可以获得输出矢量y，这里被视为等于状态矢量x，其可以写成以下形式：
在该图4中，还示出了速率限制器T1。
然后目的是确定控制器K的形式，其是允许基于该状态矢量x计算不饱和转向角设定点δK的状态返回。
为了理解如何确定在稳定性和快速性方面都合适的控制器K，本行为模型可以写成通用形式：
[Math 8]
在该等式中，Cy是单位矩阵，A是动态矩阵，Bu是控制矩阵，并且Bw是扰动矩阵，可以写成以下形式：
[Math 9]
对于被定义为静态状态返回的控制器K，可以表示为以下形式：
[Math 10]
δK＝Kx
为了找到最佳控制器K，可以使用各种方法。
这里使用的方法是线性矩阵不等式。因此，它是基于线性矩阵不等式约束下的凸优化准则来实施的。
目的是通过调整极点的选择来更精确地优化由控制器K定义的闭环增益。
所使用的矩阵不等式的数量是三个，并且这些不等式由以下不等式定义。
[Math 11]
AiQ+BiR+(AiQ+BiR)T+2μQ＜0
[Math 12]
[Math 13]
在这些不等式中，索引i等于1或2，然后矩阵Ai和Bi可以以以下方式定义：
A1＝A(θmin)，
A2＝A(θmax)，
B1＝Bu(θmin)，
B2＝Bu(θmax)。
形式的矩阵写成形式
控制器K由下式定义：
[Math 14]
K＝RQ-1
假设车辆的速度是恒定的(因此系统的所有矩阵都被认为是恒定的)。
这三个不等式允许确保闭环的动态范围保持有限。这是因为，凭借这些约束，闭环的极点被限制在由半径γ、相对于假想轴的最小距离μ和张角限定的区域内。
当目的是在任何给定时间以合理的方式(并且可由具有平均技能的驾驶员控制的方式)并且以致动器可实施的方式确定方向盘角度时，该方法被证明是高效的。这些约束也确保了闭环的稳定性。
这里的目的是最小化半径γ。一旦获得了控制器K，就可以通过以下公式计算得到不饱和转向角设定点：
[Math 15]
在这三个矩阵不等式中，引入了值θmin和θmax。
θ的值与δK和δref之间的差相关(参见Math 5)，反映了控制器K违反通过等式Math2描述的可控性限制的程度。
根据定义，θ在0(不包括)到1(包括)之间的范围内。当θ等于1时，计算出的方向盘的不饱和角设定点δK确实符合可控性限制。当它接近于0时，计算出的方向盘的不饱和角设定点δK的值会施加过宽的转弯角动态范围，这会产生车辆不稳定的风险。当θ取介于0到1之间的值时，可控性限制未被遵守，但可能不存在车辆不稳定的风险。
换言之，θmin和θ_max值的选择对控制器K的性能和稳健性有直接影响。范围[θmin，θmax]越宽，控制器K的性能越低但越稳健。相反，该范围越窄，控制器K的性能越高，但稳健性越差。
从逻辑上讲，值θmax被选择为等于1(根据这种情况，控制器K在线性模式下操作，因为通常是这种情况，不违反可控性约束)。
另一方面，θmin值的确定需要在性能与稳健性之间做出折衷。该值的确定相当于对δK与δref之间的差的绝对值强加最大阈值(参见Math5)。
为了清楚地说明这种选择，图4示出了作为δK与δref之间的差的函数的θ值的变化。在该示例中，值θmin被选择为等于0.2。
总之，允许计算适合于特定机动车辆模型的控制器K的方法包括固定v、α、θmin和θmax的值。
该方法随后包括确定矩阵Ai、Bi的系数，然后求解等式Math 11到Math 13以便从中推导出控制器K，该控制器确保对避让路径T0的紧密跟踪并满足设定点变化限制模型。
该控制器K然后可以在该范围的机动车辆10的计算机13中实施。
在这个阶段，可以描述将由这些机动车辆之一的计算机13执行以实施本发明的方法。
此处，计算机被编程用于以递归方式(换言之，逐步和循环地)实施该方法。
为此，在第一步骤期间，计算机13尝试检测位于机动车辆10的路径上的潜在障碍物的存在。为此，它使用其RADAR或LIDAR遥感系统。
在不存在任何障碍物的情况下，该步骤循环重复。
一旦检测到障碍物20(参见图2)，计算机13就规划允许避开该障碍物20的避让路径T0。
计算机13然后将试图定义用于常规转向系统14的控制设定点，即允许尽可能接近地遵循该避让路径T0的饱和转向角设定点δref。
为此，它首先计算或测量以下参数：
-测量的转向角δ，
-测量的转向角δ相对于时间的导数，
-在前一时间步长获得的饱和转向角设定点δref，
-偏航速度r
-相对航向角ΨL，
-横向间距设定点yL-ref相对于时间的导数，
-路径跟踪误差eyL,
-漂移角β。
计算机13随后使用存储在其存储器中的控制器K。
在第一步骤E1期间，控制器K将相应地允许确定不饱和转向角设定点δK和饱和转向角设定点δref的值。
饱和转向角设定点δref然后将被传输到致动器，从而允许机动车辆10的车轮被转向。
然后，在第二步骤E2期间，计算机13通过等式Math 5确定θ的值。它通常等于1或接近于1。然而，在存在扰动的情况下，它可能与该值不同。
然后，在步骤E3期间，计算机13验证θ的值确实高于阈值θmin，该阈值已经固定并因此作为常数记录在其存储器中。
如果确实是这种情况，则在步骤E4期间，计算机决定维持控制车辆转向的过程以便避开障碍物20。
在相反的情况下，在步骤E5期间，计算机决定暂停控制车辆转向的过程。然后，一种可能的情况是车辆执行紧急制动和/或一旦再次满足稳定性条件就继续控制车辆转向的过程。
这种情况尤其可能在存在异常(传感器故障、动力转向系统故障、车辆和/或驾驶员的行为无法由控制器K管理等)的情况下发生。因此，本发明还允许检测传感器的可能故障。
本发明决不限于所描述和示出的实施例，但是本领域技术人员将知道如何将符合本发明的任何变体应用于该实施例。
因此，该方法将适用于必须遵循特定路径的其他类型的领域，例如，在航空学或机器人学中(特别是当机器人很小并且必须使其控制命令之一饱和时)。
双曲正切函数被理解为具有接近双曲正切形式的各种函数，其中尤其包括反三角函数(如反正切)、误差函数(通常表示为erf)、古德曼函数(通常表示为gd)和双曲三角函数(如双曲正切)。
如前所述，阈值θmin严格小于阈值θmax，这意味着可以实施灵活的饱和条件，因为在θmin至θmax之间存在几个值的范围。这种灵活的饱和条件意味着控制器K可以容忍超出饱和约束，同时仍然保证闭环系统的稳定性，从而可以获得更好的性能特性。这是因为控制器K的不饱和输出(换言之，δK)可能会超出饱和约束，而没有任何不稳定和性能损失的风险。然后，控制器K生成转向角的不饱和设定点δK，而不是转弯角速度的设定点，这考虑了饱和角设定点δref，如等式Math 6所示。因此，控制设定点δref是每个可转向车轮11的饱和转向角设定点，因为控制设定点的一阶导数(换言之，转弯角速度)是饱和的。

Claims (8)

1.一种用于自主控制汽车设备(10)的移动性的自主控制方法，该移动性被设计为影响所述设备(10)的路径，该设备(10)是被设计为在道路上行驶并且其包括至少一个可转向车轮(11)的机动车辆，所述移动性对应于该可转向车轮(11)的转弯能力，该自主控制方法包括以下步骤：
-获取与该设备(10)的路径相关的参数，所述参数包括该设备的漂移角β、该设备的偏航速度r、该设备的纵轴与所述路径的切线之间的相对航向角ΨL、路径跟踪误差eyL、所述可转向车轮与所述纵轴所形成的转向角δ以及饱和转向角设定点δref，以及
-根据这些参数β、r、ΨL、eyL、δ、δref来计算该设备的移动性的新控制设定点，
其特征在于，该新控制设定点是通过满足该控制设定点的变化限制模型的控制器(K)来确定的，所述变化限制模型表现为传递函数和双曲正切函数的校正器，该控制设定点是每个可转向车轮(11)的饱和转向角设定点。
2.如前一权利要求所述的自主控制方法，其中，目的是确定不满足所述变化限制模型的不饱和转向角设定点(δK)，并且其中，该变化限制模型包括该不饱和转向角设定点(δK)与该饱和转向角设定点(δref)之间的差的双曲正切函数。
3.如前一权利要求所述的自主控制方法，其中，目的是将通过所述双曲正切函数计算的值(θ)与预定阈值(θmin)进行比较，并且根据所述比较的结果来继续或中断所述自主控制方法。
4.如前一权利要求所述的自主控制方法，其中，所述值(θ)是通过以下数学表达式计算的：
其中，α是预定的常数。
5.一种用于生成用于如前述权利要求之一所述的自主控制方法的控制器(K)的生成方法，其中，目的是：
-通过以下数学表达式获取该设备(10)的行为矩阵模型：
其中，δref是饱和转向角设定点，w是扰动，Cy是单位矩阵，A是动态矩阵，Bu是控制矩阵，并且Bw是扰动矩阵，
-确定该行为矩阵模型的矩阵(Ai，Bi)的至少一部分系数，
-由此推导出控制器(K)，该控制器满足待行驶路径的跟踪以及控制设定点(δref)的变化限制模型。
6.如前一权利要求所述的生成方法，其中，该控制器(K)是在线性矩阵不等式的约束下使用凸优化准则来确定的。
7.一种汽车设备(10)，包括被设计为影响所述设备(10)的路径的至少一个移动性、用于控制所述移动性的致动器、以及用于控制所述致动器的计算机，
其特征在于，该计算机被设计为实施权利要求1至4之一所述的自主控制方法。
8.如前一权利要求所述的设备，该设备由被设计为在道路上行驶并且包括至少一个可转向车轮(11)的机动车辆形成，其中，所述移动性对应于每个可转向车轮(11)的转弯能力。
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